Новая фотокаталитическая система преобразует диоксид углерода

Городской университет Гонконга

Изображение: Иерархическая фотокаталитическая система самосборки (слева) имитирует естественный фотосинтетический аппарат пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides (справа), достигая 15% эффективности использования солнечной энергии в топливе при преобразовании углекислого газа в метан.посмотреть больше

Фото: (слева) исследовательская группа профессора Е Жуцюаня / Городской университет Гонконга и (справа) Biophysical Journal, 99:67-75, 2010 г.

Объединенная исследовательская группа изГородской университет Гонконга (CityU) и его коллеги недавно разработали стабильную искусственную фотокалитическую систему, которая более эффективна, чем естественный фотосинтез. Новая система имитирует природный хлоропласт и преобразует углекислый газ в воде в метан, ценное топливо, очень эффективно используя свет. Это многообещающее открытие, которое может способствовать достижению цели углеродной нейтральности.

Фотосинтез — это процесс, при котором хлоропласты растений и некоторых организмов используют солнечный свет, воду и углекислый газ для создания пищи или энергии. В последние десятилетия многие ученые пытались разработать процессы искусственного фотосинтеза, позволяющие превратить углекислый газ в углеродно-нейтральное топливо.

«Однако преобразовать углекислый газ в воду сложно, поскольку многие фотосенсибилизаторы или катализаторы разлагаются в воде», — пояснили.Профессор Е Жуцюань , доцент кафедры химии CityU, один из руководителей совместного исследования. «Хотя было показано, что искусственные фотокаталитические циклы работают с более высокой собственной эффективностью, низкая селективность и стабильность в воде для восстановления углекислого газа затрудняют их практическое применение».

В последнем исследовании совместная исследовательская группа из CityU, Университета Гонконга (HKU), Университета Цзянсу и Шанхайского института органической химии Китайской академии наук преодолела эти трудности, используя подход супрамолекулярной сборки для создания искусственного фотосинтетическая система. Он имитирует структуру светособирающих хроматофоров пурпурных бактерий (т.е. клеток, содержащих пигмент), которые очень эффективно переносят энергию солнца.

Ядром новой искусственной фотосинтетической системы является высокостабильная искусственная наномицелла – своего рода полимер, способный самособираться в воде, имеющий как водолюбивый (гидрофильный), так и водолюбивый (гидрофобный) конец. Гидрофильная головка наномицеллы действует как фотосенсибилизатор, поглощая солнечный свет, а ее гидрофобный хвост действует как индуктор самосборки. Когда его помещают в воду, наномицелы самособираются за счет межмолекулярных водородных связей между молекулами воды и хвостами. Добавление кобальтового катализатора приводит к фотокаталитическому производству водорода и восстановлению углекислого газа, что приводит к образованию водорода и метана.

Используя передовые методы визуализации и сверхбыструю спектроскопию, команда представила атомные особенности инновационного фотосенсибилизатора. Они обнаружили, что особая структура гидрофильной головки наномицеллы, а также водородные связи между молекулами воды и хвостом наномицеллы делают ее стабильным, совместимым с водой искусственным фотосенсибилизатором, решая традиционную проблему нестабильности и несовместимости с водой искусственного фотосинтеза. Электростатическое взаимодействие между фотосенсибилизатором и кобальтовым катализатором, а также сильный светособирающий антенный эффект наномицеллы улучшили фотокаталитический процесс.

В ходе эксперимента команда обнаружила, что скорость производства метана составила более 13 000 мкмоль ч-1 г-1 с квантовым выходом 5,6% за 24 часа. Он также достиг высокоэффективного коэффициента использования солнечной энергии в топливе на уровне 15%, превзойдя естественный фотосинтез.

Самое главное, что новая искусственная фотокаталитическая система экономически жизнеспособна и устойчива, поскольку в ее основе не лежат дорогие драгоценные металлы. «Иерархическая самосборка системы предлагает многообещающую стратегию снизу вверх для создания точно контролируемой, высокоэффективной искусственной фотокаталитической системы на основе дешевых, широко распространенных на Земле элементов, таких как порфириновые комплексы цинка и кобальта», — сказал профессор Е.