Исследователи из Кембриджского университета ранее показали, что биологические катализаторы, или ферменты, могут производить топливо экологически чистым способом, используя возобновляемые источники энергии, но с низкой эффективностью.

Их последнее исследование в лабораторных условиях повысило эффективность производства топлива в 18 раз, продемонстрировав, что загрязняющие выбросы углерода могут быть эффективно преобразованы в экологически чистое топливо без каких-либо потерь энергии. Результаты представлены в двух связанных документах в Природная химия и Труды Национальной академии наук.

Большинство методов преобразования CO₂ в топливо также попадают нежелательные побочные продукты, такие как водород. Ученые могут изменять химические условия, чтобы свести к минимуму производство водорода, но это также снижает производительность для CO₂ конверсия: таким образом, можно производить более чистое топливо, но за счет повышения эффективности.

Разработанное в Кембридже доказательство концепции основано на ферментах, выделенных из бактерий, для запуска химических реакций, которые превращают CO₂ в топливо, процесс, называемый электролизом. Ферменты более эффективны, чем другие катализаторы, такие как золото, но они очень чувствительны к местной химической среде. Если местная среда не совсем подходящая, ферменты распадаются, и химические реакции протекают медленно.

Исследователи из Кембриджа, работая с командой из Университета Нова-де-Лиссабон в Португалии, разработали метод повышения эффективности электролиза путем точной настройки условий раствора для изменения локальной среды ферментов.

"Ферменты эволюционировали на протяжении миллионов лет, чтобы быть чрезвычайно эффективными и избирательными, и они отлично подходят для производства топлива, потому что в них нет никаких нежелательных побочных продуктов", - сказала доктор Эстер Эдвардс Мур из химического факультета Юсуфа Хамида в Кембридже, первый автор PNAS бумага. "Однако чувствительность к ферментам создает другой набор проблем. Наш метод учитывает эту чувствительность, так что местная среда настраивается таким образом, чтобы соответствовать идеальным условиям работы фермента".

Исследователи использовали вычислительные методы для разработки системы для улучшения электролиза CO₂. Используя систему на основе ферментов, уровень производства топлива увеличился в 18 раз по сравнению с текущим эталонным решением.

Чтобы еще больше улучшить местную окружающую среду, команда показала, как два фермента могут работать вместе: один производит топливо, а другой контролирует окружающую среду. Они обнаружили, что добавление другого фермента ускоряет реакции, как повышая эффективность, так и уменьшая количество нежелательных побочных продуктов.

"В итоге мы получили именно то топливо, которое хотели, без побочных продуктов и с незначительными потерями энергии, производя чистое топливо с максимальной эффективностью", - сказал доктор Сэм Кобб, первый автор Природная химия бумага. "Черпая вдохновение из биологии, это поможет нам разработать более совершенные системы синтетических катализаторов, а это то, что нам понадобится, если мы собираемся внедрять CO₂ электролиз в больших масштабах."

"Электролиз играет большую роль в сокращении выбросов углекислого газа", - сказал профессор Эрвин Рейснер, возглавлявший исследование. "Вместо того, чтобы захватывать и хранить CO₂, что невероятно энергоемко, мы продемонстрировали новую концепцию улавливания углерода и получения из него чего-то полезного энергоэффективным способом".

Исследователи говорят, что секрет более эффективного совместного₂ электролиз заключается в катализаторах. В последние годы произошли значительные улучшения в разработке синтетических катализаторов, но они все еще не дотягивают до ферментов, используемых в этой работе.

"Как только вам удастся создать более качественные катализаторы, многие проблемы с CO₂ электролиз просто исчезнет", - сказал Кобб. "Мы показываем научному сообществу, что как только мы сможем производить катализаторы будущего, мы сможем отказаться от многих компромиссов, которые в настоящее время делаются, поскольку то, что мы узнаем от ферментов, может быть перенесено на синтетические катализаторы".

"Как только мы разработали концепцию, улучшение производительности было поразительным", - сказал Эдвардс Мур. "Я беспокоился, что мы потратим годы, пытаясь понять, что происходит на молекулярном уровне, но как только мы по-настоящему оценили влияние местной среды, она эволюционировала очень быстро".

"В будущем мы хотим использовать то, чему мы научились, для решения некоторых сложных проблем, с которыми борются современные катализаторы, такие как использование CO₂ прямо из воздуха, поскольку это условия, в которых свойства ферментов как идеальных катализаторов могут действительно проявиться", - сказал Кобб.

Эрвин Рейснер - стипендиат колледжа Святого Иоанна в Кембридже. Сэм Кобб - научный сотрудник Дарвиновского колледжа в Кембридже. Эстер Эдвардс Мур защитила докторскую диссертацию в колледже Корпус-Кристи в Кембридже. Исследование было частично поддержано Европейским исследовательским советом, Фондом Леверхульме и Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам.