Поиск новых способов преобразования солнечной энергии продвинулся на шаг вперёд, после того, как учёным удалось расщепить воду на кислород и водород посредством изменения механизма фотосинтеза в растениях.
Фотосинтез ― это процесс, используемый растениями для превращения солнечного света в энергию. Кислород является побочным продуктом фотосинтеза, результатом разложения воды растением. Это одна из важнейших реакцией на нашей планете, поскольку она является источником всего атмосферного кислорода. Образующийся одновременно водород мог бы стать неограниченным «зелёным» источником возобновляемой энергии.
Подпись к изображению: Экспериментальная установка с двумя электродами демонстрирует фотоэлектрохимическую ячейку, подсвеченную имитацией солнечного света
В исследовании, выполненном учёными Колледжа св. Иоанна Кембриджского университета, был задействован наполовину искусственный процесс фотосинтеза с целью исследовать новые способы генерации и хранения солнечной энергии. Для разложения воды на водород и кислород использовался естественный солнечный свет, смесь биологических компонентов и созданные человеком технологии.
Полученные результаты могут произвести революцию в производстве возобновляемой энергии. Опубликованная в журнале Nature Energy статья рассказывает, как лаборатория Райзнера в Кембридже разработала установку, позволяющую получить самопроизвольный распад воды на водород и кислород под действием солнечного света. При этом доля поглощаемого солнечного света была выше, чем при естественном фотосинтезе.
Аспирант Катержина Соко, автор исследования, сказала: «Естественный фотосинтез неэффективен, поскольку он развился только как результат стремления к самосохранению, и поэтому преобразует и запасает минимально достаточную для этого энергию ― 1-2 процента от потенциально возможного».
Искусственный фотосинтез известен уже несколько десятилетий, но пока что его не смогли успешно задействовать в качестве источника возобновляемой энергии, так как он основан на дорогих и токсичных катализаторах, и пока не может использоваться в промышленном масштабе.
Проведённое в Кембридже исследование принадлежит новой области «наполовину искусственного» фотосинтеза, которая ставит целью преодолеть ограничения полностью искусственного фотосинтеза, применяя ферменты для получения требуемых реакций.
Исследовательская группа Соко не только добилась роста объёма производимой и сохраняемой энергии, но также они сумели перезапустить некий процесс в водорослях, тысячелетиями пребывавший в неактивном состоянии.
«Гидрогеназа ― это присутствующий в водорослях фермент, способный восстанавливать протоны в водород. За время эволюции этот процесс деактивировался, поскольку он не был необходим для выживания, но мы сумели активировать его, чтобы получить желаемую реакцию ― расщепление воды на водород и кислород».
Катержина Соко надеется, что эти результаты помогут создать новые системы преобразования солнечной энергии.
«Воодушевляет возможность выбирать нужные нам процессы, и получать желаемую реакцию, которая не существует в природе. Это может послужить отличной базой для развития солнечных технологий. Такой подход можно применить для объединения в пары других реакций, и по результатам создавать комбинированные, более производительные технологии использования солнечной энергии».
Эта модель ― первая, в которой успешно использована гидрогеназа для проведения наполовину искусственного фотосинтеза, использующего только солнечную энергию.
Д-р Эрвин Райзнер, глава лаборатории Райзнера в Колледже св. Иоанна Кембриджского университета, соавтор статьи в журнале Nature Energy, называет это исследование «важной вехой».
Он поясняет: «Эта работа преодолевает многие препятствия на пути интеграции биологических и органических компонентов с неорганическими материалами для сборки наполовину искусственных устройств, и предлагает инструментарий для разработки будущих систем конвертации солнечной энергии».