Энергия искусственного листа. Ученые на пороге овладения секретами фотосинтеза
Американские исследователи сделали очень большой шаг к достижению очень важной цели — к овладению искусственным аналогом фотосинтеза, суть которого состоит в том, что зеленые растения превращают энергию солнечного света в электрохимическую. При помощи искусственного фотосинтеза можно будет получать дешевое топливо из двуокиси углерода и воды.
Энергия, полученная путем искусственного фотосинтеза, будет экологически чистой. В отличие от угля и нефти ее использование не будет способствовать глобальному потеплению.
Идея искусственного фотосинтеза заключается в усовершенствовании процесса естественного фотосинтеза, в котором участвуют зеленые растения и определенные бактерии. Хайнц Фрай и Фенг Джао, исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, намерены создать аналог живого листа.
«Фотоокисление молекул воды, при котором они распадаются на кислород и ионы водорода, — говорит Фрай, — является одной из двух главных реакций системы искусственного фотосинтеза. При этом образуются электроны, необходимые для превращения двуокиси углерода в энергию. Для эффективного фотоокисления требуется катализатор. Он должен эффективно использовать солнечный свет. Наше открытие состоит в том, что мы применяем кластеры нанокристаллов оксида кобальта, которые и достаточно эффективны. К тому же они прочные, т.е. у них большой срок службы. Еще один немаловажный плюс — то, что оксид кобальта в природе встречается в избытке. В общем, эти кристаллы идеально удовлетворяют всем требованиям искусственного фотосинтеза».
Сначала Фрай с Джао пришли к выводу, что на роль катализатора подходит оксид иридия, но иридий, к сожалению, один из самых редких металлов на нашей планете и поэтому не годится к применению в промышленных масштабах. Ученым требовался металл не менее эффективный, но более распространенный.
В зеленых растениях фотоокисление молекул воды проходит в комплексе протеинов, который называется фотосистема II. Катализатором в ней служат содержащие марганец ферменты. Комплексы, созданные по образцу и подобию фотосистемы II на базе марганца, тоже дали неплохие результаты, но оказались нерастворимыми в воде и непрочными.
В поисках полностью неорганического катализатора, который бы растворялся в воде и был прочен, Фрай и Джао решили попробовать оксид кобальта, широко применяемый в промышленности как катализатор.
Отдельные частички оксида кобальта разочаровали американских ученых своей неэффективностью, но свойства кластеров наночастиц оказались намного выше. Путем экспериментов удалось определить и самый эффективный размер кластеров, имеющих форму шара, — 35 нанометров в диаметре.
Сейчас Фрай и Джао стараются разобраться, почему кластеры нанокристаллов оксида кобальта обладают именно такими свойствами, чтобы попытаться найти еще более эффективные катализаторы из оксидов других металлов. На следующем этапе проведение реакции окисления воды уже в системе искусственного листа.
«Эффективность, скорость и размеры кластеров оксида кобальта вполне сравнимы с фотосистемой II, — утверждает Хайнц Фрай. — Мы считаем, что получили очень многообещающий каталитический компонент для создания надежной системы по превращению солнечной энергии в электрохимическую».
***
