Разработан искусственный фотосинтез, который работает эффективнее настоящего

Исследовательская группа из Городского университета Гонконга недавно разработала стабильную искусственную фотокаталитическую систему, которая по эффективности превосходит естественный фотосинтез.

Новая система, имитирующая природный хлоропласт, очень эффективно преобразует углекислый газ в воде в метан — ценное топливо — с помощью света. Это многообещающее открытие, которое может способствовать достижению цели углеродной нейтральности.

Фотосинтез — это процесс, в ходе которого хлоропласты растений и некоторых организмов используют солнечный свет, воду и углекислый газ для получения пищи или энергии. В последние десятилетия многие ученые пытались разработать искусственные процессы фотосинтеза для превращения углекислого газа в углеродно-нейтральное топливо.

Однако превращение углекислого газа в воде затруднено, поскольку многие фотосенсибилизаторы или катализаторы разрушаются в воде, — пояснил профессор Е Рукуан, доцент кафедры химии CityU, один из руководителей совместного исследования.

Хотя было показано, что искусственные фотокаталитические циклы работают с более высокой внутренней эффективностью, низкая селективность и стабильность в воде для восстановления углекислого газа препятствуют их практическому применению.

В последнем исследовании совместная группа ученых из Городского университета Гонконга (CityU), Университета Гонконга (HKU), Университета Цзянсу и Шанхайского института органической химии Китайской академии наук преодолела эти трудности, используя подход супрамолекулярной сборки для создания искусственной фотосинтетической системы. Она имитирует структуру светоулавливающих хроматофоров (т.е. клеток, содержащих пигмент) пурпурной бактерии, которые очень эффективно передают энергию солнца.

В основе новой искусственной фотосинтетической системы лежит высокостабильная искусственная наномицелла — полимер, способный самособираться в воде, имеющий как водолюбивый (гидрофильный), так и водобоязненный (гидрофобный) конец. Гидрофильная головка наномицеллы работает как фотосенсибилизатор, поглощающий солнечный свет, а гидрофобный хвост — как индуктор самосборки. При помещении наномицеллы в воду происходит ее самосборка за счет межмолекулярной водородной связи между молекулами воды и хвостами. Добавление кобальтового катализатора приводит к фотокаталитическому получению водорода и восстановлению углекислого газа, в результате чего образуются водород и метан.

Используя передовые методы визуализации и сверхбыстрой спектроскопии, специалисты раскрыли атомные особенности инновационного фотосенсибилизатора. Они обнаружили, что особая структура гидрофильной головки наномицеллы, а также водородная связь между молекулами воды и хвостом наномицеллы делают ее стабильным, совместимым с водой искусственным фотосенсибилизатором, решая традиционную проблему нестабильности и несовместимости с водой искусственного фотосинтеза. Электростатическое взаимодействие между фотосенсибилизатором и кобальтовым катализатором, а также сильный эффект светоулавливающей антенны наномицеллы улучшили фотокаталитический процесс.

В ходе эксперимента было установлено, что скорость производства метана составляет более 13 000 мкмоль ч-1 г-1 при квантовом выходе 5,6% в течение 24 часов. Также была достигнута высокая эффективность превращения солнечной энергии в топливо — 15%, что превосходит естественный фотосинтез.

Самое главное, что новая искусственная фотокаталитическая система является экономически выгодной и устойчивой, поскольку не использует дорогостоящие драгоценные металлы.

Иерархическая самосборка системы предлагает перспективную стратегию «снизу вверх» для создания точно контролируемой высокоэффективной искусственной фотокаталитической системы на основе дешевых, распространенных на Земле элементов, таких как порфириновые комплексы цинка и кобальта, — говорит профессор Йе.

По словам профессора Йе, он считает, что последнее открытие будет полезным и вдохновит на рациональное проектирование будущих фотокаталитических систем для преобразования и восстановления углекислого газа с использованием солнечной энергии, что будет способствовать достижению цели углеродной нейтральности.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Catalysis.

03.08.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло
Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло

Если проникнуть глубоко-глубоко под повер...

Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак
Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак

Загрязнения, извергаемые бурно развивающейся м...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса