Ученые из Института физиологии растений Российской академии наук достигли успехов в разработке нанобиомолекулярных устройств для получения перспективных видов биотоплива (молекулярного водорода) за счет энергии солнечного излучения. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) , а ее результаты были опубликованы в журнале International Journal of Hydrogen Energy.

Исследователи считают, что одним из возможных путей обеспечения все возрастающих потребностей экономики в дешевых, экологически безопасных и энергоемких видах топлива могло бы стать создание искусственных систем фотобиосинтеза, мимикрирующих фотосинтез и способных использовать энергию солнечного света для окисления воды до кислорода О₂, ионов водорода (протонов H+) и электронов. В отличие от природного биологического кислород-выделяющего комплекса (КВК), который чрезвычайно уязвим к действию стрессовых факторов, искусственные системы будут обладать необходимой стабильностью.

Схематическое изображение искусственной фотосинтетической системы выработки водорода. Р — фотосенсибилизатор, А — акцептор электронов, D — донор электронов, С — переносчик электронов, Catox — катализатор окисления воды, Catred — катализатор восстановления водорода. Сулейман Аллахвердиев

Во всем мире ведутся интенсивные исследования, направленные на совершенствование природных фотосинтезирующих структур путем частичной или полной замены компонентов КВК намного более стабильными искусственными металлоорганическими комплексами, на разработку искусственных систем, а также на поиск возможностей повышение эффективности, безопасности и удешевления фотопреобразующих систем. Последнее возможно осуществить в том числе за счет расширения спектра фотосинтетически активной радиации путем использования модификаций хлорофилла (зеленых пигментов растений, участвующих в фотосинтезе), способных поглощать фотоны низкой энергии.

«Мы разработали, синтезировали, исследовали и экспериментально апробировали многочисленную группу катализаторов окисления воды на основе разных наноструктурированных металлоорганических композитов. Системы катализаторов, встроенные в искусственные полипептиды, функционируют в качестве структурных моделей биологического водоокисляющего комплекса растений, водорослей и цианобактерий. Все исследованные комплексы обладают способностью катализировать фотоокисление — окисление под действием света — воды и представляют собой прототип искусственного каталитического центра, который производит восстанавливающие эквиваленты и протоны из воды», — рассказал доктор биологических наук Сулейман Аллахвердиев, автор статьи, руководитель проекта РНФ.

Водород может быть получен из воды с помощью ряда процессов, большинство из которых потребляет обычные источники энергии, такие как уголь и электричество. Однако ученым удалось существенно улучшить возможности фотоэлектрохимической системы разложения воды с выходом молекулярного водорода. Так, ученые создали наноструктурированный комплекс на основе оксида титана, легированного азотом, который способен ускорять окисление воды с образованием молекулярного водорода за счет энергии солнечного излучения, который может рассматриваться как прототип искусственного каталитического центра, производящий молекулярный водород из воды за счет неиссякаемого источника энергии.

Также ученые разработали и исследовали искусственные преобразователи энергии солнечного излучения в электрическую энергию, в которых в качестве дешевых экологически безопасных фотосенсибилизаторов используются компоненты природного фотосинтетического аппарата. С помощью выявленных стабилизирующих соединений впервые в мире удалось повысить время активного стабильного функционирования данной системы до 15 суток. Показана возможность использования в таких системах модификаций хлорофилла, способных поглощать фотоны низкой энергии, которые не поглощаются молекулами обычного хлорофилла.

«В перспективе планируется исследовать возможности использования в фотокаталитических системах разложения воды с выходом молекулярного водорода на основе оксида титана в качестве сенсибилизатора молекулы хлорофилла, обладающие способностью поглощать свет в видимой, дальней красной и ближней инфракрасной областях спектра», — заключил ученый.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Тебризского университета и Азербайджанского университета имени Шахид Мадани (Иран), Технологического университета Сиднея (Австралия) и Марбургского университета имени Филиппа (Германия).