Структура фикоцианина (иллюстрация Protein Database).
Новое устройство призвано разделять воду на водород и кислород напрямую, просто под действием солнечного света. Авторы изобретения надеются, что находка поможет эффективно вырабатывать экологически чистое топливо.
Учёные из швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологии (EMPA) совместно с коллегами из университета Базеля (Universität Basel) и аргоннской национальной лаборатории (Argonne National Laboratory) создали и испытали нанобиоэлектрод для фотоэлектрохимической ячейки (PEC).
В устройстве такого типа расщепление воды идёт непосредственно на поверхности электродов, выставленных на свет. Так что отпадает необходимость в промежуточной выработке электроэнергии, как в случае классического тандема «солнечные батареи – электролизёр».
На роль материала для PEC физики не раз пробовали оксиды металлов (некоторые из них обладают хорошими фотокаталитическими свойствами). В новой работе учёные решили применить гематит (разновидность оксида железа). Он усваивает энергию лучей в видимом спектре, дёшев и к тому же широко распространён.
Однако главная изюминка эксперимента — второй компонент электрода. Это фикоцианин (phycocyanin), белок, содержащийся в сине-зелёных водорослях (цианобактериях).
Как это иногда случается, ученые нашли, что можно усовершенствовать даже в столь сложном и производительном процессе, как фотосинтез, на совершенствование которого эволюция потратила миллиарды лет. Однако эволюция слепа – а мы, люди, можем действовать, заранее просчитывая и предсказывая результат. Так что в итоге авторы уже сконструировали микроскопическое устройство, превращающее энергию падающих на него фотонов в водородное топливо. Они уверены, что рано или поздно мы сможем обеспечить все свои потребности чистой энергией.
"Я был вдохновлён природным фотосинтезом цианобактерий, в котором фикоцианин выступает в качестве основного собирающего свет компонента. Я хотел запустить искусственный фотосинтез с использованием керамики и белков", — вспоминает Дебаджит Бора (Debajeet K. Bora) из EMPA, главный автор разработки.
Исследователи поместили сеть молекул фикоцианина на поверхность гематитового электрода. При этом, утверждает Бора, белок образовал с оксидом железа ковалентную связь.
Испытав такой гибридный материал, учёные обнаружили, что электрод с биологической добавкой производит вдвое больший индуцированный фототок в сравнении с аналогом, построенным из одного гематита. То есть новый материал поглощал и использовал больше фотонов.
При этом белковый комплекс на поверхности пластины, к удивлению специалистов, оказался довольно стойким. Он не разрушался при контакте с оксидом железа в щелочной среде на ярком свете, хотя теоретически эти условия для него не слишком-то благоприятны.
Разработка EMPA представляет интерес в качестве возможного способа производства водородного горючего. Нужно только выяснить, как массово создавать такие электроды и как они будут работать в реальных установках, а не в крохотном лабораторном образце.