«Это исследование представляет собой еще один важный прорыв в области повышения эффективности преобразования солнечной энергии в химическую и искусственного фотосинтеза», – говорит Пейдонг Янг, химик из отдела материаловедения лаборатории Беркли и один из руководителей этого исследования. «Создавая водород из возобновляемых источников и подавая его микробам для производства метана, мы теперь можем ожидать, что электрическая химическая эффективность будет выше 50 процентов, а эффективность преобразования солнечной энергии в химическую – 10 процентов, если наша система в сочетании с современной солнечной панелью и электролизером."
Ян, который также имеет встречи с Калифорнийским университетом в Беркли и Институтом нанонауки Энергии Кавли (Kavli-ENSI) в Беркли, является одним из трех авторов-корреспондентов статьи, описывающей это исследование в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Статья называется «Гибридный биоинорганический подход к преобразованию солнечной энергии в химическую."Другими авторами-корреспондентами являются Мишель Чанг и Кристофер Чанг.
Оба также имеют совместные встречи с Berkeley Lab и Калифорнийским университетом в Беркли. Кроме того, Крис Чанг – исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI).
Фотосинтез – это процесс, с помощью которого природа собирает энергию солнечного света и использует ее для синтеза углеводов из углекислого газа и воды.
Углеводы – это биомолекулы, которые хранят химическую энергию, используемую живыми клетками. В оригинальной гибридной системе искусственного фотосинтеза, разработанной командой Berkeley Lab, массив нанопроволок кремния и оксида титана собирал солнечную энергию и доставлял электроны микробам, которые использовали их для восстановления диоксида углерода в различные химические продукты с добавленной стоимостью. В новой системе солнечная энергия используется для расщепления молекулы воды на молекулярный кислород и водород. Затем водород транспортируется к микробам, которые используют его для восстановления углекислого газа в один конкретный химический продукт – метан.
«В нашей последней работе мы продемонстрировали два ключевых достижения, – говорит Крис Чанг. «Во-первых, использование нами возобновляемого водорода для связывания углекислого газа открывает возможность использования водорода, который поступает из любого устойчивого источника энергии, включая ветер, гидротермальную и ядерную энергию. Во-вторых, продемонстрировав один многообещающий организм для использования возобновляемого водорода, мы можем теперь, с помощью синтетической биологии, распространиться на другие организмы и другие химические продукты с добавленной стоимостью."
Концепция в двух исследованиях по существу одинакова – мембрана из полупроводниковых нанопроволок, которая может использовать солнечную энергию, населена бактериями, которые могут питаться этой энергией и использовать ее для производства целевого химического вещества на основе углерода. В новом исследовании мембрана состояла из фотокатодов из фосфида индия и фотоанодов из диоксида титана. В то время как в первом исследовании команда работала с Sporomusa ovata, анаэробной бактерией, которая легко принимает электроны из окружающей среды для уменьшения содержания углекислого газа, в новом исследовании команда заполнила мембрану Methanosarcina barkeri, анаэробным археоном, который уменьшает углекислый газ с помощью водород, а не электроны.
«Использование водорода в качестве носителя энергии, а не электронов, делает процесс гораздо более эффективным, поскольку молекулярный водород благодаря своим химическим связям имеет гораздо более высокую плотность для хранения и передачи энергии», – говорит Мишель Чанг.
В новейшей мембране, о которой сообщила команда Беркли, солнечная энергия поглощается и используется для производства водорода из воды посредством реакции выделения водорода (HER). HER катализируется широко распространенными наночастицами сульфида никеля, которые эффективно действуют в биологически совместимых условиях.
Водород, производимый в HER, напрямую используется археонами Methanosarcina barkeri в мембране для производства метана.
«Мы выбрали метан в качестве исходной цели из-за простоты разделения продуктов, возможности интеграции в существующую инфраструктуру для доставки и использования природного газа, а также того факта, что прямое преобразование диоксида углерода в метан с помощью синтетических катализаторов доказало свою эффективность. сложная задача ", – говорит Крис Чанг. «Поскольку мы по-прежнему получаем большую часть метана из природного газа, ископаемого топлива, часто в результате гидроразрыва пласта, способность генерировать метан из возобновляемых источников водорода является еще одним важным достижением."
Ян добавляет: «Хотя мы были вдохновлены процессом естественного фотосинтеза и продолжаем учиться на нем, добавляя нанотехнологии, которые помогают повысить эффективность природных систем, мы показываем, что иногда мы можем добиться даже большего, чем природа."
В дополнение к соответствующим авторам, другими соавторами статьи PNAS, описывающей это исследование, были Ева Николс, Джозеф Галлахер, Чонг Лю, Юд Су, Хоакин Ресаско, Йи Ю и Юджие Сон.
Это исследование в основном финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США.