Производство водородного топлива с использованием фотосинтеза

В последние годы исследователи со всего мира занимались вопросом производства водорода из воды. Причиной их интереса было то, что водородное топливо - «зеленое»,  то есть экологичное, является альтернативой для уже используемых видов топлива и производится из недорогого и доступного сырья - воды. 

Вода - это и единственный побочный продукт работы автомобилей на водородных двигателях, что разительно контрастирует с эффектом от автомобилей на обычном топливе, выбрасывающими в атмосферу вредные вещества и парниковые газы.
 

В статье, опубликованной в Nature Catalysis, доцент Галия Мааян с факультета химии Техниона (Израильский технологический институт в Хайфе) представила молекулярный комплекс (также называемый искусственным молекулярным кластером), который значительно повышает эффективность окисления воды. Этот результат достигается с помощью биомимикрии - области инженерии, где копируются природные механизмы. В данном случае был скопирован процесс фотосинтеза в природе. 

Фотосинтез - это природный процесс, который в ходе эволюции развился в растениях, бактериях и водорослях. Для превращения воды и оксида углерода в кислород и органические материалы используется энергия солнца. Этот процесс жизненно важен для жизни на Земле, поскольку все организмы, неспособные к фотосинтезу (включая людей), включены в пищевую цепочку, первым звеном которой является фотосинтетическая бактерия. Кислород, которым мы дышим, является продуктом фотосинтеза. 

Марганец (Mn) является одним из важных элементов процесса фотосинтеза. Вдохновленные природным процессом, многие исследователи пытались найти способ использования марганца как катализатора расщепления воды, пользуясь при этом электричеством как источником энергии. В результате этого процесса, называемого водным электролизом, получается водород, когда молекулы воды расщепляются с помощью электрического тока. В воду погружаются катод и анод, катод выпускает электроны в воду и привлекает кислород, а анод забирает электроны из воды и привлекает водород. Это очень сложный и энергоемкий процесс. Более того, основанный на марганце катализатор как правило оказывается нестабильным и распадается в процессе использования. 

Молекулярный комплекс, разработанный Мааян, должен изменить ситуацию. Кластер, представляющий собой сложную молекулу Mn₁₂DH, обладает уникальными характеристиками, дающими значительное преимущество при расщеплении воды. Проведенные с этим комплексом эксперименты показали, что в итоге получается большое количество электронов, а также существенное количество кислорода и водорода, несмотря на относительно небольшие энергозатраты. Не менее важно отметить что это стабильный комплекс, и этим он выгодно отличается от других катализаторов, основанных на марганце.

По словам Мааян, «в природе эволюция создала белковую оболочку вокруг ядра марганца, которая стабилизирует его и предотвращает его распад. Пользуясь патентом природы, мы разработали органическую оболочку, которая стабилизирует марганцевый комплекс и позволяет ему раствориться в воде». 

Доцент Галия Мааян (слева) и исследователь Наама Глуз (фото пресс-службы Техниона)

Большая часть описанной в статье работы была выполнена Наамой Глуз, студенткой Техниона, готовившей свою магистерскую работу под руководством Мааян. Глуз продолжает исследовать уникальный молекулярный комплекс в рамках своего доктората. В предварительных экспериментах она смогла продемонстрировать, что комплекс может расщеплять воду даже при облучении светом из обычной лампы. В будущем это сделает возможным получать кислород и водород быстро и в больших количествах, и прийти к ситуации, в которой этот процесс будет происходить только на солнечной энергии, без дополнительных энергозатрат.

Источник: MFA
Фото: Технион