Дослідники з Кембриджського університету раніше вже доводили, що біологічні каталізатори або ферменти можуть виробляти паливо з використанням відновлюваних джерел енергії, однак — з низькою ефективністю.
Їх останнє дослідження продемонструвало підвищену ефективність виробництва палива – як мінімум в 18 разів в лабораторних умовах. Це довело, що забруднюючі викиди вуглецю можуть бути ефективно перетворені в екологічно чисте паливо без втрат енергії.
Більшість методів перетворення діоксиду вуглецю (CO2) в паливо виробляють небажані побічні продукти — наприклад, такі, як водень. Вчені можуть змінити хімічні умови, щоб звести до мінімуму виробництво водню — – але це, в свою чергу, знижує продуктивність перетворення CO2.
Доказ концепції, розробленої Кембриджським університетом, базується на ферментах, виділених з бактерій для запуску хімічних реакцій, які перетворюють CO2 в паливо. Цей процес називається електролізом. Ферменти, як правило, більш ефективні, ніж інші каталізатори — такі як золото, але вони дуже чутливі до місцевого хімічного середовища. Якщо вона не зовсім підходить для них, то ферменти розпадаються, і хімічні реакції йдуть повільно.
Дослідники з Кембриджу, працюючи з командою з Університету Нова-де-Лісабон в Португалії, розробили метод підвищення ефективності електролізу шляхом точного налаштування умов розчину для зміни локального середовища ферментів.
- Перші автономні човни будуть курсувати без капітана (фото+відео)
- У Данії створили робота-павука, який лагодить вітряні турбіни
“Ферменти розвивалися протягом мільйонів років, щоб бути надзвичайно ефективними та вибірковими, і вони чудово підходять для виробництва палива, оскільки вони не мають небажаних побічних продуктів”, – сказав доктор Естер Едвардс Мур з Кембриджського хімічного факультету Юсуфа Хаміда, автор статті PNAS.
“Однак чутливість до ферментів пов’язана з іншим набором проблем. Наш метод враховує цю чутливість, так що місцеве середовище регулюється відповідно до ідеальних умов роботи ферменту», — додала вчена.
Дослідники використовували обчислювальні методи для розробки системи для поліпшення електролізу CO2. При використанні системи на основі ферментів рівень виробництва палива збільшився в 18 разів у порівнянні з поточним еталонним рішенням.
Щоб ще більше поліпшити місцеве навколишнє середовище, команда показала, як два ферменти можуть працювати разом: один при цьому виробляє паливо, а інший контролює навколишнє середовище. Дослідники виявили, що додавання іншого ферменту прискорило реакції, підвищивши ефективність і зменшивши небажані побічні продукти.
«Ми отримали саме те паливо, яке хотіли — без побічних продуктів і з мінімальними втратами енергії”, – зазначив доктор Сем Кобб, перший автор статті Nature Chemistry.
“Електроліз відіграє велику роль у скороченні викидів вуглецю. Замість того, щоб вловлювати і зберігати CO2, що неймовірно енергоємні, ми продемонстрували нову концепцію уловлювання вуглецю і отримання з нього чогось корисного енергоефективним способом», – пояснив суть дослідження професор Ервін Рейснер.
Вчені розповіли, що секрет більш ефективного електролізу CO2 криється в каталізаторах. В останні роки були досягнуті великі успіхи в розробці синтетичних каталізаторів – однак вони все ще не дотягували до ферментів, які дослідники використовували в цій роботі.
«Як тільки вам вдасться зробити більш якісні каталізатори, безліч проблем, пов’язаних з електролізом CO2, просто зникнуть. Ми демонструємо світовій науковій спільноті, що як тільки ми зможемо виробляти каталізатори майбутнього, то зможемо покінчити з багатьма компромісами, на які нам доводиться йти сьогодні», — зазначив Кобб.
“Як тільки ми розробили концепцію, поліпшення продуктивності було вражаючим. Я боявся, що ми витратимо роки, намагаючись зрозуміти, що відбувається на молекулярному рівні, але як тільки ми по-справжньому оцінили вплив місцевого середовища, все стало розвиватися дуже швидко. У майбутньому ми хотіли б використовувати все те, що дізналися, для вирішення деяких складних проблем, з якими борються сучасні каталізатори, — наприклад, використання CO2 прямо з повітря. Це умови, при яких властивості ферментів як ідеальних каталізаторів дійсно можуть блищати», — підсумував вчений.