Потенциальное производство углерода

Университет Гонконга

изображение: Структура искусственной системы сферических хроматофорных наномицелл и исследование ее механизма. Изображение адаптировано из Nature Catalysis, 2023, doi: 10.1038/s41929-023-00962-z.посмотреть больше

Фото: Университет Гонконга.

Преобразование солнечной энергии в углеродно-нейтральное топливо является многообещающим подходом к снижению нашей зависимости от ископаемого топлива и борьбе с изменением климата. Беря примеры из природы, растения и другие фотосинтезирующие организмы используют солнечный свет для создания богатых энергией соединений из воды и углекислого газа (CO2) посредством сложного биохимического процесса, который происходит в специализированных структурах, называемых хлоропластами. Однако эффективность этого естественного процесса ограничена метаболическими путями, которые имеют низкую эффективность преобразования солнечного света в полезную энергию. Хотя искусственные фотокаталитические циклы продемонстрировали более высокую собственную эффективность, они обычно полагаются на чистый или высококонцентрированный CO2 и органические среды для предотвращения деградации катализатора, вызванной водой или протонами.

Исследовательские группы под руководством профессора Дэвида Ли ФИЛЛИПСа с факультета химии Гонконгского университета (HKU), профессора Лили ДУ из Университета Цзянсу (выпускница PhD HKU), профессора Жуцюань ЙЕ из Городского университета Гонконга и профессора Цзя Тянь из Шанхайский институт органической химии разработал замечательную и экологически чистую систему, которая может эффективно использовать энергию света для фотокаталитического процесса. Эта искусственная система очень стабильна и пригодна для вторичной переработки, и в ней не используются драгоценные металлы, что делает ее более экономически жизнеспособной и устойчивой. Результаты исследования недавно опубликованы в ведущем научном журнале Nature Catalysis.

Предыстория и достижения В природе организмы используют процесс, называемый «иерархической самосборкой», для оптимизации сбора света. В ходе процесса они организуют фотокаталитические компоненты в специальной среде, обеспечиваемой каркасами на основе липидов или белков. Достигая высокой стабильности, селективности и эффективности, фотосинтез опирается на большую площадь поверхности и точный пространственный контроль молекул хромофора и каталитических центров посредством самосборки, что предлагает принцип проектирования высокоэффективных искусственных фотокаталитических систем.

Недавние исследования продемонстрировали использование везикул и мицелл, образующихся путем совместной сборки природных липидов или синтетических поверхностно-активных веществ с фотокаталитическими частицами. Эти структуры действуют как микрореакторы, имитируя среду клеточных мембран. Однако репликация природных светособирающих суперкомплексов синтетическими путями сложна в реализации и далека от экономической эффективности.

Полностью признавая текущие усилия и проблемы, команда HKU и их сотрудники разработали самоорганизующуюся искусственную сферическую систему наномицелл сферического хроматофора в воде, вдохновленную фотосинтетическим аппаратом Rhodobacter sphaeroides, типа бактерий, который обычно встречается в почве и пресная вода, имеющая особую структуру, называемую «сферический светособирающий хроматофор». Эта структура действует как датчик света и обладает замечательной способностью эффективно передавать энергию солнечного света посредством уникального эффекта, называемого «эффектом сферической антенны», создаваемого круговым расположением определенных молекул на поверхности хроматофора. Это позволяет бактериям улавливать и эффективно использовать солнечный свет для удовлетворения своих энергетических потребностей.

Эта искусственная система имитирует сферический светособирающий хроматофор бактерий и состоит из крошечных сферических структур, называемых наномицеллами, которые самособираются в водных растворах. Эти наномицелы служат строительными блоками системы. В системе используются модифицированные молекулы и светопоглощающие соединения, известные как «Zn-порфириновые амфифилы с усиленным арамидным линкером», которые взаимодействуют с кобальтовым катализатором посредством электростатических сил, что приводит к уникальной иерархической сборке. Следовательно, эта сборка вызывается «эффектом сферической антенны» и улучшает способность системы улавливать и выделять энергию для фотокаталитических процессов.