Две группы американских химиков смогли повторить два ключевых элемента процесса фотосинтеза у зеленых растений - разложение молекул углекислого газа и воды при помощи энергии света, используя недорогие и легко доступные катализаторы и солнечные батареи.
говорится в двух статьях, опубликованных в журналеScience.
Многие химические реакции происходят только при благоприятных условиях - к примеру, в присутствии набора катализаторов или при постоянном притоке энергии.
В частности, зеленые растения используют молекулы хлорофилла для поглощения энергии Солнца и преобразования ее в свободные электроны, которые в свою очередь расходуются на расщепление молекул воды и углекислого газа.
Ричард Мазель и его коллеги из исследовательской лаборатории Dioxide Materials в городе Шампэйн (штат Иллинойс) воспроизвели одну половину этого процесса - разложение молекулы углекислого газа.
Молекулу СО2 крайне сложно разложить при помощи электрического тока - оба атома кислорода прочно связаны с углеродом, и для отрыва хотя бы одного из них нужно много электричества. Из-за этого такая реакция крайне невыгодна с экономической точки зрения.
Мазель и его коллеги смогли умерить "аппетиты" молекулы CO2 при помощи специального катализатора - электролита из смеси соединений имидазола и тетрафторида бора.
Эта соединение относится к классу так называемых ионных жидкостей - по сути "обычных" солей, температура плавления которых ниже комнатной.
Ученые собрали реактор из закрытой колбы, двух электродов - серебряного катода и платинового анода, и электролита, через который пропускался углекислый газ.
В первых экспериментах платиновый электрод быстро портился из-за взаимодействия с молекулами углекислого газа, поэтому ученые обернули его в пленку из нафиона - полимера, который пропускает положительно заряженные катионы и не пропускает все остальное - нейтральные молекулы воды или отрицательно заряженные анионы.
"Рабочая" версия реактора Мазеля и его коллег вырабатывала только три типа газов - водород и угарный газ (СО) на катионе и кислород на анионе.
Эффективность работы этого устройства - то есть доля электричества, которая была потрачена на расщепление углекислого газа - составляла 96% и она не уменьшалась с течением времени, что говорит о низком расходе катализатора.
С другой стороны, текущая производительность этой системы остается достаточно низкой, что мешает использовать ее в промышленных масштабах.
Другая группа ученых под руководством Томаса Ярви из лаборатории Sun Catalytix в Кэмбридже (США) реализовала вторую половину искусственного фотосинтеза - расщепление воды на кислород и водород при помощи энергии света.
Ярви и его коллеги собрали специальную солнечную панель, которая повторяет в себе "водную" часть фотосинтезирующих структур. Полупроводниковая часть этого устройства "собирает" энергию Солнца и выделяет электроны, которые подхватываются молекулами "умного" катализатора из оксида кобальта и бора.
Это вещество переносит электроны к молекуле воды и заставляет атомы кислорода отделиться от нее и образовать молекулу нейтрального газа. Для отделения молекул водорода ученые использовали еще один катализатор - тонкую сетку из сплава никеля, цинка и молибдена.
Ученые испытали работу своего устройства, осветив ее при помощи лампы мощностью в 1 киловатт на квадратный метр, что составляет примерно 1,5 светимости Солнца. Солнечная панель поглощала примерно 8% света и использовала 85% полученной энергии - примерно 5% от мощности прожектора - на расщепление воды.
По современным оценкам, растения поглощают около 1-2% солнечного света - иначе говоря, батарея Ярви и его коллег оказалась эффективнее природных.
Химики полагают, что их изобретение станет первым шагом на пути создания дешевых и компактных систем преобразования солнечной энергии в водород и кислород.