Метод использования солнечной энергии прокладывает путь к «деископаемой» химической промышленности

Полуискусственный органический фотокатод

Селин Юнг

Сотни тысяч химикатов производятся химической промышленностью, которая превращает сырье – обычно ископаемое топливо – в полезные конечные продукты. Из-за своего размера и использования ископаемого топлива химическая промышленность отвечает за примерно 6% мировых выбросов углерода.

Но исследователи во главе с Кембриджским университетом разрабатывают новые методы, которые однажды могут привести к «деокаменению» этого важного сектора.

Они разработали гибридное устройство, которое сочетает светособирающие органические полимеры с бактериальными ферментами для преобразования солнечного света, воды и углекислого газа в формиат — топливо, которое может стимулировать дальнейшие химические превращения.

В ходе испытаний исследователи использовали солнечный свет для преобразования углекислого газа в формиат, а затем использовали его непосредственно в химической реакции «домино» для получения важного типа соединения, используемого в фармацевтике, с высоким выходом и чистотой.

Их результаты опубликованы в журнале Джоульзнаменует собой первый случай, когда органические полупроводники были использованы в качестве светособирающего компонента в биогибридном устройстве этого типа, открывая дверь новому семейству устойчивых искусственных листьев.

Химическая промышленность занимает центральное место в мировой экономике, производя продукцию от фармацевтических препаратов и удобрений до пластмасс, красок, электроники, чистящих средств и туалетных принадлежностей.

«Если мы собираемся построить замкнутую, устойчивую экономику, химическая промышленность — это большая и сложная проблема, которую мы должны решить», — сказал профессор Эрвин Рейснер с химического факультета Кембриджа имени Юсуфа Хамида, который руководил исследованием. “Мы должны придумать способы деископации этого важного сектора, который производит так много важных продуктов, в которых мы все нуждаемся. Это огромная возможность, если мы сможем сделать это правильно”.

Исследовательская группа Райснера специализируется на разработке искусственных листьев, которые превращают солнечный свет в углеродное топливо и химические вещества, не полагаясь на ископаемое топливо. Но многие из их ранних разработок основаны на синтетических катализаторах или неорганических полупроводниках, которые либо быстро разлагаются, либо теряют большую часть солнечного спектра, либо содержат токсичные элементы, такие как свинец.

«Если мы сможем удалить токсичные компоненты и начать использовать органические элементы, мы получим чистую химическую реакцию и единственный конечный продукт без каких-либо нежелательных побочных реакций», — сказала соавтор исследования доктор Селин Юнг, которая завершила исследование в рамках своей докторской работы в лаборатории Райснера. «Это устройство сочетает в себе лучшее из обоих миров: органические полупроводники настраиваемы и нетоксичны, а биокатализаторы очень селективны и эффективны».

Новое устройство объединяет органические полупроводники с ферментами сульфатредуцирующих бактерий, расщепляющими воду на водород и кислород или преобразующими углекислый газ в формиат.

Исследователи также решили давнюю проблему: большинству систем требуются химические добавки, известные как буферы, для поддержания работы ферментов. Они могут быстро выйти из строя и ограничить стабильность. Внедрив вспомогательный фермент карбоангидразу в пористую структуру диоксида титана, исследователи позволили системе работать в простом растворе бикарбоната, похожем на газированную воду, без неэкологичных добавок.

«Это похоже на большую головоломку», — сказал соавтор исследования доктор Юнпэн Лю, научный сотрудник лаборатории Райснера. “У нас есть все эти различные компоненты, которые мы пытались объединить для одной цели. Нам потребовалось много времени, чтобы выяснить, как этот конкретный фермент иммобилизуется на электроде, но теперь мы начинаем видеть плоды этих усилий”.

«Тщательно изучив, как работает фермент, мы смогли точно спроектировать материалы, из которых состоят различные слои нашего сэндвич-устройства», — сказал Юнг. «Благодаря этой конструкции детали работают вместе более эффективно, от крошечных наномасштабов до полностью искусственного листа».

Исследователи надеются продолжить разработку своих конструкций, чтобы продлить срок службы устройства и адаптировать его для производства различных типов химических продуктов.

«Мы показали, что возможно создавать устройства на солнечной энергии, которые не только эффективны и долговечны, но и не содержат токсичных или неэкологичных компонентов», — сказал Райснер. «Это может стать фундаментальной платформой для производства экологически чистого топлива и химикатов в будущем – это реальная возможность заняться интересной и важной химией».

#Метод #использования #солнечной #энергии #прокладывает #путь #деископаемой #химической #промышленности