Вирусы помогли расщепить воду: шаг к водородному топливу

Исследователи из MIT разработали новый способ имитации процесса, с помощью которого растения используют солнечный свет для расщепления воды и создания химического топлива. В основе метода — модифицированный вирус, который служит биологическим каркасом для сборки наноразмерных компонентов, необходимых для расщепления молекулы воды на водород и кислород.

Расщепление воды — один из способов решения проблемы доступности солнечной энергии только в светлое время суток. Водород, полученный с помощью солнечного света из воды, можно хранить и впоследствии использовать для генерации электричества в топливных элементах или для создания жидкого топлива.

В отличие от других систем, использующих электричество от солнечных панелей, новая биологическая система использует солнечный свет для прямой активации реакции. Исследование опубликовано 11 апреля в Nature Nanotechnology.

Команда под руководством Анджелы Белчер модифицировала безвредный бактериальный вирус M13, чтобы он притягивал и связывал молекулы катализатора (оксида иридия) и биологического пигмента (цинк-порфиринов). Вирусы превратились в проволочно-подобные структуры, эффективно отделяющие кислород от молекул воды.

Чтобы предотвратить слипание и потерю эффективности «вирусных проволок», исследователи инкапсулировали их в микрогелевую матрицу, что позволило сохранить их равномерное расположение, стабильность и эффективность.

Команда сосредоточилась на технически более сложной «полуреакции» — выделении кислорода из воды. Вместо того чтобы заимствовать компоненты растений, исследователи позаимствовали их метод: в системе вирусный каркас обеспечивает правильное расположение и расстояние между пигментами и катализаторами для запуска реакции.

Пигменты действуют как антенна, улавливающая свет, и передают энергию по длине вируса, как по проводу. Использование вируса для самоорганизации системы повысило эффективность производства кислорода в четыре раза, как отмечает ведущий автор работы Юн Сун Нам.

Следующие задачи — разработка биологической системы для второй половины процесса (производства водорода) и поиск более доступного и дешевого катализатора для замены дорогого иридия.

Томас Маллук из Университета Пенсильвании назвал работу «чрезвычайно умной», решающей сложную проблему наноразмерной организации компонентов для контроля скорости переноса электронов. Он отметил, что для конкурентоспособности система должна быть в 10 раз эффективнее естественного фотосинтеза, выдерживать миллиарды циклов реакции и использовать более дешевые материалы, что маловероятно в ближайшем будущем.

Анджела Белчер рассчитывает в течение двух лет создать прототип устройства, способного осуществлять полный процесс расщепления воды на кислород и водород в рамках самоподдерживающейся и долговечной системы.