В статье, опубликованной в журнале ПНАС Кара Брен, профессор химии Ричарда С. Айзенберга в Рочестере, и Тодд Краусс, профессор химии, демонстрируют, что бактерии Шеванелла онейденсиспредлагают практически бесплатный, но в то же время действенный способ снабжения электронами их системы искусственного фотосинтеза. Используя уникальные свойства этих микроорганизмов наряду с наноматериалами, система потенциально может заменить существующие подходы, позволяющие получать водород из ископаемого топлива, революционизируя способ производства водородного топлива и открывая мощный источник возобновляемой энергии.

"Водород, безусловно, является топливом, представляющим большой интерес для Министерства энергетики прямо сейчас", - говорит Брен. "Если мы сможем найти способ эффективного извлечения водорода из воды, это может привести к невероятному росту производства экологически чистой энергии".

"Идеальное топливо"

Водород - "идеальное топливо", - говорит Брен, - "потому что он безвреден для окружающей среды и является безуглеродной альтернативой ископаемому топливу".

Водород является самым распространенным элементом во Вселенной и может быть получен из различных источников, включая воду, природный газ и биомассу. В отличие от ископаемого топлива, которое производит парниковые газы и другие загрязняющие вещества, при сжигании водорода единственным побочным продуктом является водяной пар. Водородное топливо также обладает высокой плотностью энергии, что означает, что оно содержит много энергии на единицу веса. Он может использоваться в самых разных областях применения, включая топливные элементы, и может изготавливаться как в малых, так и в крупных масштабах, что делает его пригодным для всего - от домашнего использования до промышленного производства.

Проблемы, связанные с использованием водорода

Несмотря на изобилие водорода, на Земле практически нет чистого водорода; он почти всегда связан с другими элементами, такими как углерод или кислород, в таких соединениях, как углеводороды и вода. Чтобы использовать водород в качестве источника топлива, он должен быть извлечен из этих соединений.

Исторически ученые добывали водород либо из ископаемого топлива, либо, в последнее время, из воды. Для достижения последнего существует серьезный толчок к использованию искусственного фотосинтеза.

Во время естественного фотосинтеза растения поглощают солнечный свет, который они используют для запуска химических реакций по преобразованию углекислого газа и воды в глюкозу и кислород. По сути, световая энергия преобразуется в химическую энергию, которая питает организм.

Аналогичным образом, искусственный фотосинтез - это процесс преобразования обильного исходного сырья и солнечного света в химическое топливо. Системы, имитирующие фотосинтез, требуют трех компонентов: поглотителя света, катализатора для производства топлива и источника электронов. Эти системы обычно погружены в воду, и источник света обеспечивает энергией поглотитель света. Энергия позволяет катализатору объединять полученные электроны с протонами из окружающей воды для получения газообразного водорода.

Однако большинство современных систем в процессе производства используют ископаемое топливо или не имеют эффективного способа передачи электронов.

"Способ производства водородного топлива в настоящее время фактически превращает его в ископаемое топливо", - говорит Брен. "Мы хотим получать водород из воды в результате реакции, управляемой светом, чтобы у нас было по-настоящему чистое топливо - и делать это таким образом, чтобы в процессе не использовать ископаемое топливо".

Уникальная система Рочестера

Группа Краусса и Брена около десяти лет работали над разработкой эффективной системы, использующей искусственный фотосинтез и полупроводниковые нанокристаллы в качестве поглотителей света и катализаторов.

Одной из задач, с которой столкнулись исследователи, было определение источника электронов и эффективная передача электронов от донора электронов к нанокристаллам. Другие системы использовали аскорбиновую кислоту, широко известную как витамин С, для доставки электронов обратно в систему. Хотя витамин С может показаться недорогим, "вам нужен почти бесплатный источник электронов, иначе система станет слишком дорогой", - говорит Краусс.

В своей статье Краусс и Брен сообщают о маловероятном доноре электронов: бактериях. Они обнаружили, что Шеванелла онейденсис Бактерии, впервые собранные из озера Онейда в северной части штата Нью-Йорк, предлагают практически бесплатный, но действенный способ снабжения их организма электронами.

В то время как другие лаборатории объединили наноструктуры и бактерии, "все эти усилия направлены на то, чтобы извлечь электроны из нанокристаллов и поместить их в бактерии, а затем использовать бактериальный механизм для приготовления топлива", - говорит Брен. "Насколько нам известно, наш случай - первый, когда мы пошли противоположным путем и использовали бактерии в качестве источника электронов для нанокристаллического катализатора".

Когда бактерии растут в анаэробных условиях - условиях без кислорода - они используют клеточные вещества в качестве топлива, высвобождая при этом электроны. Шеванелла онейденсис может забирать электроны, генерируемые его собственным внутренним метаболизмом, и отдавать их внешнему катализатору.

Топливо будущего

Брен предполагает, что в будущем в отдельных домах потенциально могут быть установлены чаны и подземные резервуары для использования энергии солнца для производства и хранения небольших партий водорода, что позволит людям снабжать свои дома и автомобили недорогим, экологически чистым топливом. Брен отмечает, что в настоящее время существуют поезда, автобусы и автомобили, работающие на водородных топливных элементах, но почти весь водород, который доступен для питания этих систем, поступает из ископаемого топлива.

"Технология существует, - говорит она, - но до тех пор, пока водород не будет получаться из воды в результате реакции, управляемой светом, без использования ископаемого топлива, это на самом деле не поможет окружающей среде".