Исследователи из китайского Университета науки и технологий Хуачжун вместе с коллегами подготовили обзор о микробных электрокатализаторах. Работа вышла в журнале Frontiers in Chemical Science and Engineering, в девятом выпуске девятнадцатого тома. Скажем прямо: современные катализаторы, которые ускоряют химические реакции, часто дороги, не очень эффективны и вредят природе. А микробы — совсем другое дело. У них разнообразная форма, на их поверхности много химически активных групп, да и сами они растут в экологичных условиях.

Ученые разобрали, как создать катализатор с помощью живых организмов.

• Первый способ — использовать самих микробов как шаблон: берете бактерию, грибок или вирус, и на его основе выращиваете нужную структуру.
• Второй — применять продукты жизнедеятельности микробов, например внеклеточные полимеры, бактериальную целлюлозу или диатомит.

Готовый катализатор помогает расщеплять воду, восстанавливать кислород, но главное — превращать углекислый газ в полезные вещества: метан, этанол, уксусную кислоту и другие продукты с одной, двумя или более углеродными атомами. Причем получается это эффективно и избирательно.

Оценка стоимости

Сама технология пока дороговата для широкого внедрения. Микробы доступны, а ферментеры, питательные среды и очистка продуктов стоят денег. Однако биомасса воспроизводится сама, а платина или иридий в обычных катализаторах обходятся еще дороже. Так что в перспективе метод может стать доступнее — особенно если не гнаться за рекордной чистотой, а использовать дешевое сырье вроде отходов агропрома.

Что было до этого исследования

Годами химики пытались напылять металлы на углерод или делать сложные наноструктуры. Получалось неплохо, но сложно и грязно. А идея подсунуть микробам металлы и заставить их вырастить катализатор — это небольшой, но изящный шажок. Прорывом это не назовешь: эффективность пока скромнее, чем у лучших образцов из чистых металлов. Но направление многообещающее, особенно когда важна экологичность.

Этично ли исследование

Исследователи работают с обычными, часто безвредными штаммами кишечной палочки, водорослями или бактериями из почвы. Никаких вирусов-убийц или генной инженерии диких штаммов. Вред может возникнуть, если масштабировать производство и сливать отходы ферментации в реку — но это проблема любой биотехнологии, а не сути метода. Риск небольшой.

Когда технологию сможет испытать обычный человек

Пока что об этом рано говорить. В ближайшие три-пять лет никто не принесет домой баночку с микробным катализатором, чтобы превращать углекислый газ из выдоха в спирт. Сначала ученые должны решить проблему стабильности: микробы гибнут, а биологические структуры разрушаются после нескольких часов работы. Возможно, через десять лет такие катализаторы появятся в заводских установках по утилизации выбросов, и электричество будет дешеветь. Пощупать руками образец можно уже сегодня — в лабораториях, если договоритесь с авторами.

Какие есть аналоги

Есть металл-органические каркасы (МОК) и углеродные нанотрубки с кобальтом. У них высокая активность, но синтез дорогой и токсичный. Есть чистые ферменты — очень избирательны, но живут минуты. Микробные катализаторы занимают середину: стабильность неделями, не ядовиты, но скорость реакции в два-три раза ниже, чем у лучших металлических. Их преимущество — дешевизна сырья и масштабируемость: микробы размножаются сами.

Ограничения работы

Главный подвох скрыт в самом слове «микробный». Как только катализатор начинает активно работать — восстанавливать CO₂, пропуская через себя электричество, — микробы испытывают стресс. Выживают только самые стойкие, а их эффективность падает. Авторы обзора признают, что производство продукта на один грамм катализатора пока неконкурентоспособно. Плюс в реальных газах, кроме CO₂, есть кислород и примеси, которые быстро отравляют биокатализатор. В лаборатории все красиво, на заводском дыму — пока нет.

Ранее ученые разаботали способ очистки воды с помощью солнечной энергии.