Химическая реакция, имеющая ключевое значение для биологии растений, была адаптирована для формирования основы нового процесса, который превращает воду в водородное топливо, используя энергию Солнца.
В недавнем исследовании, проведенном в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), ученые смогли объединить два мембраносвязанных белковых комплекса для полного превращения молекул воды в водород и кислород.
Эта работа основана на более раннем исследовании, в котором рассматривался один из этих белковых комплексов, называемый Фотосистемой I – мембранный белок, который может использовать энергию света для подачи электронов к неорганическому катализатору, вырабатывающему кислород. Однако это только часть реакции, представляющей собой лишь половину всего процесса, необходимого для генерации водорода.
Используя второй белковой комплекс, который называется Фотосистемой II, а также использует энергию света для расщепления воды и извлечения из нее электронов, аргоннский химик Лиза Утшиг и ее коллеги смогли получить электроны из воды и отправить их в Фотосистему I.
«Главное преимущество этого процесса заключается в его простоте – вы можете самостоятельно собрать катализатор с натуральной мембраной, чтобы создать нужную для себя химическую реакцию», – добавила специалист.
В более раннем эксперименте исследователи предоставляли Фотосистеме I электроны от жертвенного донора электронов. «Хитрость заключалась в том, чтобы отправить два электрона к катализатору в быстрой последовательности», – отметила Утшиг.
Два белковых комплекса встроены в тилакоидные мембраны, подобные тем, которые находятся внутри хлоропластов, создающих кислород, у высших растений. «Мембрана, которую мы взяли непосредственно из природы, очень важна для сопряжения двух фотосистем. Он одновременно структурно поддерживает их обоих и обеспечивает прямой путь межбелкового переноса электронов, но при этом не препятствует связыванию катализатора с Фотосистемой I», – заявила химик.
По словам Утшиг, Z-схема – это техническое название светопроводящей транспортной цепочки электронов естественного фотосинтеза, находящейся в тилакоидной мембране – и синтетический катализатор имеют довольно элегантное соединение. «Прелесть этого дизайна в его простоте – вы можете самостоятельно собрать катализатор с естественной мембраной, чтобы выполнить химический процесс, который вам необходим», – отметила ученый.
Еще одно улучшение заключается в замене дорогого платинового катализатора, который использовался в более раннем исследовании, новыми «бюджетными» кобальтовыми или никельсодержащими катализаторами. Они позволят значительно снизить потенциальные затраты на реализацию данной технологии.
Согласно заявлению Утшиг их следующий шаг в исследовании связан с включением мембраносвязанной Z-схемы в живую систему. «Как только у нас будет система in vivo – та, в которой процесс происходит в естественных условиях – мы сможем начать думать о промышленном производстве водорода таким способом», – добавила специалист.