Американцы претендуют на укрощение фотосинтеза
Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой: американским химикам впервые удалось воспроизвести энергетически эффективный процесс фотосинтеза в лабораторных условиях.
Открытие – в случае соответствия заявленных результатов реальным фактам – может произвести революцию в использовании солнечной энергии, а в будущем позволит компенсировать использование невозобновляемых ресурсов.
Дэниел Носера (Daniel Nocera) и Мэтью Кэнан (Matthew Kanan) из Массачусетского технологического (Massachusetts Institute of Technology) обнаружили «простой и недорогой» способ разделения воды на кислород и водород. Эта реакция, в свою очередь, питается от солнечных батарей.
Именно таким образом и происходит фотосинтез в природе, когда клетки растений накапливают солнечную энергию в виде углеводов (прежде всего глюкозы).
Суммарное уравнение фотосинтеза (иллюстрация с сайта wikimedia.org/MEMBRANA).
Но это конечный результат, а начинается процесс с преобразования воды и углекислого газа в кислород и «свободные» протоны/электроны – посредством хлорофилла.
Такие комплексы называются фотосистемами, и у растений их две. Когда фотон сталкивается с молекулами фотосистемы, происходят две химические реакции: молекула хлорофилла теряет два электрона, а молекула воды (поступающей из корневой системы) расщепляется.
Несмотря на то что фотосинтез детально изучен и описан, реализовать на практике эту реакцию не так просто. Одна из основных проблем – отсутствие катализатора, необходимого для эффективного электролиза воды.
Напомним, что воду и в настоящее время можно разделить на составные элементы, но это энергетически неэффективно. Другими словами, это невыгодно.
Для повышения эффективности химики добавляют катализаторы, чтобы реакция начиналась при более низком напряжении. Из существующих элементов на эту роль до сих пор годились лишь рутений и платина – очень дорогие материалы.
К тому же реакция в этом случае требовала определённых температурных условий и давления.
Носера и Кэнан нашли свой способ ускорить реакцию.
Электрод из оксидов индия и олова помещают в раствор, содержащий ионы кобальта и фосфат калия. К нему подводят ток от солнечной батареи – образуется катализатор.
Он, свою очередь, способствует разделению воды на составные элементы – O2 и свободные ионы водорода. Эти ионы оседают на втором электроде (покрытом платиной), где образуется газ H2.
Днём часть запасённой энергии идёт на текущие нужды, а часть – используется для разделения воды на кислород и водород. Ночью водород и кислород поступают в топливный элемент, и вырабатывается электричество.
Плюс вода, которая опять поступает в систему (иллюстрация Nocera, Kanan/MIT).
Соответственно, свободные водород и кислород могут подводиться к некому «топливному элементу», где из них вырабатывается электричество.
Заметим, что всё происходит при атмосферном давлении и комнатной температуре. По крайней мере, по словам авторов эксперимента.
Катализатор в ходе реакции теряет свои свойства, но потом самовостанавливается. То есть процесс циклический – как в природе.
«Наше исследование доказывает, что можно сделать относительно дешёвый катализатор и на его основе получать фотосинтетическую энергию в бытовых условиях», — полагает доктор Носера.
По его мнению, использования дорогой платины на втором электроде удастся в будущем избежать путём создания некой мембранной структуры вокруг фотоэлемента. Этим, кстати, учёные уже занимаются в рамках проекта Powering the Planet.
Джеймс Барбер (James Barber) из Имперского колледжа в Лондоне (Imperial College London) считает, что данная работа – «большой прорыв в использовании энергии Солнца». К тому же, добавляет он, это позволит наладить доступное производство водорода.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science, но детальных условий протекания реакции авторы пока не раскрывают.
Подождём первых независимых экспериментов.
Читайте также о китайских попытках создания искусственного фотосинтеза при помощи углеродных нанотрубок или о фотосинтезе без Солнца.
Возможно, вам будет также интересно узнать о получении водорода из воды без электролиза.
Пролог 1. Франсин Риверс — Любовь искупительная
