Kembridžo sukurta dirbtinė „lapo“ technologija: saulė paverčia CO2 į švarų kurą be toksinų

Pasaulinė chemijos pramonė, gaminanti vaistus, trąšas ir plastiką, vis dar smarkiai priklauso nuo iškastinio kuro. Todėl mokslininkai ieško būdų, kaip gamybai reikalingą energiją ir anglies žaliavas gauti ne iš naftos ar dujų, o iš atsinaujinančių šaltinių.

Kembridžo universiteto tyrėjai praneša sukūrę mažą, lapo dydžio įrenginį, kuris veikia vien saulės šviesa. Jis paima anglies dioksidą ir paverčia jį chemine žaliava, kuri gali būti naudojama kaip švaraus kuro pagrindas.

Kaip veikia dirbtinis lapas?

Įrenginys priskiriamas pusiau dirbtinių lapų technologijoms, kurios mėgina atkartoti fotosintezės logiką, bet naudoja laboratorijoje parinktas medžiagas. Šio sprendimo esmė yra biohibridas: šviesą sugerianti dalis sujungiama su biokatalizatoriais, kurie atlieka tikslines chemines reakcijas.

Kembridžo komanda pasirinko organinius puslaidininkius, o cheminį darbą patikėjo fermentams, susijusiems su sulfatus redukuojančiomis bakterijomis. Saulės energija įjungiama reakcijų grandinė, o galutinis produktas yra formiatas – skystas junginys, kurį galima panaudoti tolesnei sintezei.

Pasak tyrėjų, tai svarbu dėl medžiagų saugumo ir praktinio pritaikomumo: ankstesni „dirbtinių lapų“ prototipai dažnai rėmėsi neorganiniais puslaidininkiais ar toksiškais elementais. Organiniai puslaidininkiai, jų teigimu, leidžia išvengti pavojingų komponentų ir gali būti pritaikomi pagal pageidaujamas savybes.

Didžiausias iššūkis – stabilumas

Vien efektyvumo nepakanka: jei įrenginys greitai suyra, jis netinka realioms sąlygoms. Dirbtinių lapų srityje dažna problema yra biokatalizatorių „gyvybingumas“, kuriam palaikyti įprastai reikia priedų, o šie laikui bėgant prastina sistemos veikimą.

Kembridžo mokslininkai stabilumą gerino papildomu fermentu, vadinamu anglies anhidraze, kurį integravo į porėtą titano dioksido struktūrą. Dėl to sistema galėjo veikti paprastame bikarbonato tirpale, o laboratoriniuose bandymuose išlaikė darbą ilgiau nei 24 valandas.

„Organiniai puslaidininkiai gali būti pritaikomi ir nėra toksiški, o biokatalizatoriai yra labai selektyvūs ir efektyvūs“, – sakė bendraautorė Celine Yeung.

Nuo CO2 iki chemijos pramonei reikalingų medžiagų

Vien pagaminti formiatą neužtenka – svarbu parodyti, kad jis gali tapti naudinga žaliava. Tyrėjai pademonstravo, kad jų „lapo“ pagamintas formiatas gali būti įtrauktas į nuoseklią reakcijų grandinę ir panaudotas junginiui, reikalingam farmacijos sintezėje.

Tokia schema rodo platesnę kryptį: saulės energija ir CO2 gali tapti ne tik elektros gamybos, bet ir cheminių produktų „anglies šaltiniu“. Tai aktualu, nes chemijos pramonė naudoja iškastinį kurą ne vien energijai, bet ir kaip žaliavą molekulėms kurti.

Mokslininkai pabrėžia, kad dabartinis įrenginys dar yra platforma, o ne galutinis produktas pramonei. Toliau ketinama ilginti veikimo trukmę, didinti našumą ir pritaikyti sistemą platesniam cheminių produktų spektrui, kad tokie sprendimai galėtų veikti už laboratorijos ribų.