Исследователи из Кембриджского университета использовали энергию фотосинтеза для преобразования CO₂, воды и солнечного света в многоуглеродное топливо - этанол и пропанол - за один этап. Эти виды топлива обладают высокой плотностью энергии и могут быть легко сохранены или транспортированы.

В отличие от ископаемого топлива, это солнечное топливо обеспечивает нулевые выбросы углекислого газа и полностью возобновляемо, и, в отличие от большинства видов биоэтанола, оно не отвлекает сельскохозяйственные угодья от производства продуктов питания.

Хотя технология все еще находится в лабораторных масштабах, исследователи говорят, что их "искусственные листья" являются важным шагом в переходе от экономики, основанной на ископаемом топливе. Результаты опубликованы в журнале Природная энергия.

Биоэтанол рекламируется как более чистая альтернатива бензину, поскольку он производится из растений, а не из ископаемого топлива. Большинство легковых и грузовых автомобилей на дорогах сегодня работают на бензине, содержащем до 10% этанола (топливо Е10). Соединенные Штаты являются крупнейшим в мире производителем биоэтанола: по данным Министерства сельского хозяйства США, почти 45% всей кукурузы, выращиваемой в США, используется для производства этанола.

"Биотопливо, такое как этанол, является спорной технологией, не в последнюю очередь потому, что оно занимает сельскохозяйственные угодья, которые вместо этого можно было бы использовать для выращивания продуктов питания", - сказал профессор Эрвин Рейснер, руководивший исследованием.

В течение нескольких лет исследовательская группа Рейснера, базирующаяся на химическом факультете университета Юсуфа Хамида, разрабатывала экологически чистое топливо с нулевым содержанием углерода, вдохновленное фотосинтезом - процессом, посредством которого растения преобразуют солнечный свет в пищу, - используя искусственные листья.

На сегодняшний день из этих искусственных листьев можно производить только простые химические вещества, такие как синтез-газ, смесь водорода и монооксида углерода, которая используется для производства топлива, фармацевтических препаратов, пластмасс и удобрений. Но чтобы сделать технологию более практичной, она должна была бы иметь возможность производить более сложные химические вещества непосредственно за один этап работы на солнечной энергии.

Теперь искусственный лист может непосредственно производить чистый этанол и пропанол без необходимости в промежуточной стадии производства синтез-газа.

Исследователи разработали катализатор на основе меди и палладия. Катализатор был оптимизирован таким образом, что позволил искусственному листу производить более сложные химические вещества, в частности многоуглеродные спирты этанол и n-пропанол. Оба спирта являются топливом с высокой энергетической плотностью, которое легко транспортируется и хранится.

Другие ученые смогли получить аналогичные химические вещества, используя электроэнергию, но это первый случай, когда такие сложные химические вещества были получены с помощью искусственного листа, используя только энергию Солнца.

"Попадание солнечного света на искусственные листья и получение жидкого топлива из углекислого газа и воды - это удивительный химический процесс", - сказал доктор Мотиар Рахаман, первый автор статьи. "Обычно, когда вы пытаетесь преобразовать CO₂ при переработке другого химического продукта с помощью устройства с искусственными листьями вы почти всегда получаете монооксид углерода или синтез-газ, но в данном случае мы смогли получить практичное жидкое топливо, просто используя энергию Солнца. Это захватывающий шаг вперед, который открывает совершенно новые возможности в нашей работе".

В настоящее время устройство является доказательством концепции и демонстрирует лишь скромную эффективность. Исследователи работают над оптимизацией светопоглотителей, чтобы они могли лучше поглощать солнечный свет, и оптимизацией катализатора, чтобы он мог преобразовывать больше солнечного света в топливо. Также потребуется дальнейшая работа, чтобы сделать устройство масштабируемым, чтобы оно могло вырабатывать большие объемы топлива.

"Несмотря на то, что еще предстоит проделать большую работу, мы показали, на что способны эти искусственные листья", - сказал Рейснер. "Важно показать, что мы можем выйти за рамки простейших молекул и создавать вещи, которые непосредственно полезны при отказе от ископаемого топлива".

Исследование было частично поддержано Стипендией Европейской комиссии имени Марии Склодовской-Кюри, Кембриджским фондом и Уинтонской программой по физике устойчивого развития. Эрвин Рейснер - научный сотрудник, а Мотиар Рахаман - научный сотрудник Колледжа Святого Иоанна в Кембридже.