Искусственный фотосинтез: как создать топливо из света и воды

В школе на уроках биологии мы узнаем не слишком сложное уравнение фотосинтеза. Если не углубляться, то этот процесс и в самом деле относительно прост. Растения с помощью солнечного света перерабатывают воду и углекислый газ в кислород и энергию в форме глюкозы.




Однако фотосинтез не отличается эффективностью. Растения накапливают всего около процента той энергии, которую получают от Солнца, поэтому ученые в течение уже нескольких десятилетий пытаются улучшить отдачу этого процесса. Возможно, вы думаете, что на выходе должна получиться обычная панель солнечной батареи. Это, однако, не совсем так.

Солнечные батареи прямо преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток, но при фотосинтезе предполагается получать продукт с накопленной энергией. В качестве примера здесь можно привести бензин, который содержит её в своих высокоэнергетических химических связях, а затем высвобождает при воспламенении. Такой материал хорош тем, что занимает относительно мало места.



Вырабатывающаяся солнечными панелями электроэнергия может использоваться в быту и даже как движущая сила в автомобилях, но она не способна полноценно заменить горючее топливо. Около 40% транспорта, имеющегося в мире, не подлежит электрификации физически. Просто подумайте, сколько аккумуляторов потребуется для того, чтобы оторвать от земли «Боинг-747».

Таким образом, целью рукотворного фотосинтеза является использование солнечной энергии для производства топлива. Достигается этот результат путем расщепления молекул воды – ровно то же самое делают растения. Этот базовый принцип был освоен на практике ещё в 1998 году, и уже тогда он показал гораздо большую по сравнению с природным фотосинтезом эффективность. Однако ни одно инженерное решение, разработанное с той поры, не является надежным, продуктивным и дешевым одновременно. Именно поэтому мы до сих пор очень нечасто слышим о практическом использовании искусственного фотосинтеза.

«Искусственный лист»

Как бы то ни было, одним из конечных продуктов, который стремятся получить инженеры, является водород. Это экологически чистое горючее, использующееся в двигателях внутреннего сгорания и в топливных элементах. Сегодня он извлекается в основном из ископаемого топлива, но фотосинтез позволяет добывать его посредством систем, получивших общее наименование «искусственный лист». В них используются два электрода, погруженные в водный электролит – с помощью энергии солнечного света они разделяют молекулы воды на атомы водорода и кислорода.



С точки зрения технической реализации это довольно сложный процесс. Водород легко воспламеняется и может даже взорваться в присутствии кислорода, однако самым непростым вопросом является все же жидкий электролит. При электролизе воды электроды разрушаются. Естественно, это сказывается на их производительности. Большинство устройств, использующих жидкие электролиты, требуют замены проржавевших электродов менее чем через сутки после начала работы.

Однако весьма серьезный прорыв произошел в 2018 году, когда исследователи из Объединенного центра искусственного фотосинтеза, базирующегося в Калифорнии, заметно продлили срок работы электродов. Они использовали твердый электролит вместо жидкого и подавали в систему только водяной пар. Это позволило снизить уровень коррозии, в результате чего установка получила возможность производить водород в течение 100 часов.

Производство метана с помощью фотосинтеза



Искусственный фотосинтез позволяет получать не только кислород с водородом. Некоторые научные группы экспериментируют также с производством метана. Это тот самый парниковый газ, который заметно портит репутацию крупного рогатого скота, имеющего особенность выделять его в результате своей жизнедеятельности. Но это, тем не менее, отличное топливо, которое может быть получено из углекислого газа, воды и солнечного света.

Естественный фотосинтез приводит к образованию углеводов, метан же является углеводородом, то есть принципиально другим химическим соединением. Его производство требует кардинальной реорганизации природного процесса. Тем не менее, в конце 2022 года исследователи из Чикагского университета объявили о создании устройства, которое может стать значительным шагом к широкомасштабному освоению данной технологии.

В своей конструкции установки использовались так называемые металл-органические каркасные структуры (MOF) – полимеры, в которых ионы металлов удерживаются посредством органических молекул. Ученые обнаружили, что после добавления аминокислот MOF великолепно расщепляют воду и выделяют CO2, что позволяет получать метан. Устройство оказалось примерно в 10 раз эффективнее, чем любой имеющийся аналог.

Эти два примера прекрасно иллюстрируют ту работу, которая проводится для усовершенствования замечательного процесса, подсмотренного в живой природе. Ученым понадобится какое-то время, чтобы дать нам возможность готовить пищу на «зеленом» метане и заправлять автомобили «солнечным топливом». Тем не менее, искусственный фотосинтез способен стать важнейшим фактором оздоровления климата нашей планеты.