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