Природа неплохо справляется с некоторыми видами химии. Например, вода непрерывно трансформируется в составные части и обратно как способ накопления и использования энергии растениями и животными. Технологии, основанные на естественных химических процессах, могут помочь удовлетворить растущие потребности человечества в энергии. Специализированные ферменты, присутствующие в растительных и животных клетках для определенных химических реакций, вдохновили химиков попытаться воспроизвести естественные процессы в искусственных солнечных элементах и топливных элементах.
Теперь исследователи из Университета Кюсю разработали единый катализатор, способный действовать как топливный элемент, потребляющий водород для высвобождения энергии, и как фотосинтетическая система, способная производить кислород с использованием солнечной энергии. Группа недавно сообщила о своих выводах в ChemCatChem.
«Люди пытались и раньше искусственно воспроизвести поведение гидрогеназы и фотосистемы II», - говорит автор-корреспондент профессор Сэйдзи Ого, инженерный факультет / Международный институт углеродно-нейтральных энергетических исследований (WPI-I2CNER), Университет Кюсю, «Но наше исследование - первое, в котором эти две очень специфические биологические функции объединены в единую каталитическую систему, которая может выполнять обе функции».
Гидрогеназа - это фермент, присутствующий в организмах и действующий как естественный топливный элемент, потребляющий водород для получения энергии. Фотосистема II позволяет растениям превращать воду в кислород под действием солнечного света. Оба эти процесса включают окисление, когда молекулы водорода или воды отдают часть своих электронов.
Исследователи синтезировали катализатор, содержащий металл иридий, который способен принимать и отдавать определенное количество электронов. Они показали, что в топливном элементе их катализатор вырабатывает электроэнергию, принимая электроны от водорода. При замене вспомогательных материалов катализатор может генерировать энергию от солнечного света через цикл, включающий окисление воды.
Исследователям впервые удалось выделить химическое вещество и с помощью рентгеновской дифракции получить новое представление о его структуре и поведении в качестве катализатора.
Автор, ответственный за переписку, профессор Сэйдзи Ого говорит: «Выходная мощность нашей системы все еще довольно мала для любого практического применения, но эта работа представляет собой уникальную демонстрацию двух различных видов процессов выработки энергии с помощью одного катализатора. Мы надеемся, что они полученные данные покажут, что химикам еще есть чему поучиться у природных процессов».