Chemicy stworzyli nowy system "sztucznej fotosyntezy"

Przez ostatnie dwa stulecia ludzie polegali na paliwach kopalnych, które dostarczały im skoncentrowanej energii; setki milionów lat fotosyntezy zostały zapakowane w wygodną, gęstą energetycznie substancję.

"Największym wyzwaniem, z którego wielu ludzi nie zdaje sobie sprawy, jest to, iż choćby natura nie ma rozwiązania dla ilości energii, którą zużywamy jako ludzkość" - powiedział chemik z University of Chicago Wenbin Lin. choćby fotosynteza nie jest tak dobra, powiedział: "Będziemy musieli zrobić coś lepszego niż natura, a to jest przerażające". Jedną z możliwych opcji, którą naukowcy badają, jest "sztuczna fotosynteza" - przerobienie systemu roślinnego w celu wytworzenia naszych własnych rodzajów paliw. Jednak aparatura chemiczna w pojedynczym liściu jest niewiarygodnie złożona i nie tak łatwo ją przekształcić na nasze potrzeby. Badanie Nature Catalysis przeprowadzone przez sześciu chemików z Uniwersytetu w Chicago pokazuje nowy innowacyjny system sztucznej fotosyntezy, który jest o rząd wielkości bardziej wydajny niż poprzednie sztuczne systemy. W przeciwieństwie do zwykłej fotosyntezy, która wytwarza węglowodany z dwutlenku węgla i wody, sztuczna fotosynteza mogłaby produkować etanol, metan lub inne paliwa. Choć przed nią jeszcze długa droga, zanim stanie się sposobem na codzienne tankowanie samochodu, metoda daje naukowcom nowy kierunek badań - i może być przydatna w krótszym okresie do produkcji innych substancji chemicznych. "Jest to ogromny postęp w stosunku do istniejących systemów, ale co równie ważne, byliśmy w stanie przedstawić bardzo jasne zrozumienie, jak ten sztuczny system działa na poziomie molekularnym, co nie zostało wcześniej osiągnięte", powiedział Lin, który jest profesorem chemii na Uniwersytecie w Chicago i starszym autorem badania. 'Będziemy potrzebować czegoś innego' "Bez naturalnej fotosyntezy nie byłoby nas tutaj. Dzięki niej powstał tlen, którym oddychamy na Ziemi i dzięki niej powstaje jedzenie, które jemy" - powiedział Lin. "Ale nigdy nie będzie wystarczająco wydajna, aby dostarczyć nam paliwa do napędzania samochodów; więc będziemy potrzebować czegoś innego". Kłopot w tym, iż fotosynteza jest zbudowana do tworzenia węglowodanów, które są świetne do napędzania nas, ale nie naszych samochodów, które potrzebują znacznie bardziej skoncentrowanej energii. Więc naukowcy szukający alternatyw dla paliw kopalnych muszą przeprojektować proces, aby stworzyć bardziej gęste energetycznie paliwa, takie jak etanol lub metan. W naturze fotosynteza jest przeprowadzana przez kilka bardzo złożonych zespołów białek i pigmentów. Pobierają one wodę i dwutlenek węgla, rozbijają cząsteczki i zmieniają układ atomów, tworząc węglowodany - długi ciąg związków wodoru, tlenu i węgla. Naukowcy muszą jednak przerobić te reakcje, aby zamiast tego wytworzyć inny układ z samym wodorem otaczającym soczysty rdzeń węglowy -CH4, znany również jako metan. To przerabianie jest o wiele trudniejsze niż się wydaje; ludzie majstrują przy tym od dziesięcioleci, próbując zbliżyć się do wydajności natury. Lin i jego zespół laboratoryjny pomyśleli, iż mogą spróbować dodać coś, czego dotychczasowe systemy sztucznej fotosyntezy nie zawierały: aminokwasy. Zespół zaczął od rodzaju materiału zwanego metalowo-organicznym szkieletem lub MOF, klasy związków składających się z jonów metali utrzymywanych razem przez organiczne cząsteczki łączące. Następnie zaprojektowali MOF-y jako pojedynczą warstwę, aby zapewnić maksymalną powierzchnię dla reakcji chemicznych, i zanurzyli wszystko w roztworze, który zawierał związek kobaltu do przenoszenia elektronów. Na koniec dodali do MOF-ów aminokwasy i eksperymentowali, aby dowiedzieć się, który z nich działa najlepiej. Udało im się ulepszyć obie połówki reakcji: proces, który rozbija wodę i ten, który dodaje elektrony i protony do dwutlenku węgla. W obu przypadkach aminokwasy pomogły w bardziej wydajnym przebiegu reakcji. Jednak choćby przy znacznie poprawionej wydajności, sztuczna fotosynteza ma przed sobą długą drogę, zanim będzie mogła produkować wystarczająco dużo paliwa, by mieć znaczenie dla powszechnego użytku. "Tam, gdzie jesteśmy teraz, musiałaby się skalować o wiele rzędów wielkości, aby wytworzyć wystarczającą ilość metanu dla naszej konsumpcji" - powiedział Lin. Przełom mógłby być również szeroko stosowany do innych reakcji chemicznych; trzeba wytworzyć dużo paliwa, aby miało to wpływ, ale znacznie mniejsze ilości niektórych cząsteczek, takich jak materiały wejściowe do produkcji leków farmaceutycznych i nylonów, mogłyby być bardzo przydatne. "Tak wiele z tych podstawowych procesów jest takich samych", powiedział Lin. "Jeśli opracujesz dobre chemikalia, mogą one być podłączone do wielu systemów". Źródło: Phys.org: Chemists create an 'artificial photosynthesis' system ten times more efficient than existing systems

Źródło: Nature.com: Biomimetic active sites on monolayered metal–organic frameworks for artificial photosynthesis