Химики ускорили процесс искусственного фотосинтеза в 10 раз
В течение столетий люди используют ископаемое топливо - сотни миллионов лет фотосинтеза упакованы в удобное, энергоемкое вещество. Но этот запас ограничен, а потребление влияет на клима
«Искусственный фотосинтез» — это искусственные системы, которые воспроизводят работу растений по преобразованию углекислого газа и воды под воздействием света в органические вещества. Однако «химическое оборудование» обычного зеленого листа очень сложное, и воспроизвести его трудно.
Исследование, проведенное химиками из Чикагского университета, демонстрирует новую систему искусственного фотосинтеза, которая на порядок более продуктивна, чем предыдущие аналоги. В отличие от обычного фотосинтеза, который производит углеводы из углекислого газа и воды, искусственный фотосинтез может производить этанол, метан или другие виды топлива.
«Это серьезное улучшение по сравнению с существующими системами, но не менее важно и то, что мы смогли четко понять, как эта искусственная система работает на молекулярном уровне», — сказал соавтор работы Венбин Лин. — «Без естественного фотосинтеза нас бы здесь не было. Это — и кислород, которым мы дышим на Земле, и пища, которую мы едим. Но он никогда не будет достаточно эффективным, чтобы снабжать нас топливом для автомобилей, поэтому нам понадобится что-то еще».
Естественный фотосинтез отлично подходит для нас, но не для наших автомобилей, которым требуется гораздо более концентрированная энергия. Поэтому исследователи, стремящиеся создать альтернативу ископаемому топливу, должны перестроить процесс для создания более энергоемких видов топлива, таких как этанол или метан.
Не так как в природе
В природе фотосинтез осуществляется несколькими сложными комплексами белков и пигментов. Они поглощают воду и углекислый газ, расщепляют молекулы и перестраивают атомы, образуя углеводы — длинные цепочки соединений водорода, кислорода и углерода. Ученым необходимо перестроить эти естественные реакции, чтобы создать другую схему, в которой водород окружает углеродное ядро, образуя метан — CH4.
Чтобы этого добиться, ученые решили добавить то, чего до сих пор не было в системах искусственного фотосинтеза: аминокислоты.
В результате они смогли улучшить две основные части реакции: процесс, который расщепляет воду (электролиз), и процесс, который добавляет электроны и протоны к углекислому газу. В обоих случаях аминокислоты помогли реакции идти более эффективно.
Но даже при значительно улучшенных характеристиках искусственному фотосинтезу еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем его можно будет широко использовать. «Еще потребуется масштабирование на много порядков, чтобы производить достаточное количество метана для нашего потребления», — сказал Лин.
Но сделан большой шаг вперед.