Искусственный фотосинтез и получение энергии. Искусственный фотосинтез: когда мы научимся жить без растений. Преобразование углекислого газа

Фотосинтез, способность растений, используя энергию солнечного света, окислять воду с выделением кислорода – важнейшее эволюционное приобретение природы. Ученые всего мира, в том числе из США, Японии и стран Евросоюза более 30 лет бьются над повторением природных технологий, созданием искусственного фотосинтеза . Однако до сих пор не удавалось повторить достижения природы столь же эффективно. Главной проблемой искусственного фотосинтеза до последнего времени была скорость реакций. Самые быстрые методы до сих пор позволяли достичь скорости реакций на два порядка ниже, чем они происходят в природных условиях.

На днях стало известно, что исследователям из Королевского технологического института (КТИ) в Стокгольме удалось получить молекулярный катализатор, который может окислять воду в кислород столь же быстро, как и растения. Результаты исследований чрезвычайно важны и позволяют создать более эффективные технологии использования солнечной и других видов возобновляемой энергии .

Коллектив ученых под руководством профессора Личенг Сан (Licheng Sun) создал рекордно быстрый молекулярный катализатор. Если природный фотосинтез происходит со скоростью от 100 до 400 превращений в секунду, то новый катализатор достигает скорости более 300 превращений в секунду.

«Это, безусловно, мировой рекорд и настоящий прорыв в искусственном фотосинтезе», - пояснил профессор Личенг Сан.

По мнению профессора, для возобновляемой энергетики этот факт открывает множество новых возможностей: «Такая скорость позволит в будущем создавать промышленное оборудование для производства водорода в Сахаре, где солнечный свет в изобилии».

Учитывая стремительный рост цен на нефтяное топливо, использование нового молекулярного катализатора позволит заложить основы многих важных изменений. С его помощью можно использовать солнечный свет для преобразования углекислого газа в различные виды топлива, например, в метанол . Могут быть разработаны технологии прямой конвертации солнечной энергии в водород.

Личенг Сан добавил, что он и его коллеги упорно и интенсивно трудятся над тем, чтобы сделать технологию достаточно дешевой. «Я убежден, что уже в течение десяти лет может появиться технология, основанная на нынешних исследованиях, достаточно дешевая, чтобы конкурировать с углеродным топливом», - заявил он.

Личенг Сан работал в области исследований фотосинтеза в течение почти двадцати лет, более половины всего срока пребывания в Королевском технологическом институте. Основываясь на своем опыте и мнениях коллег, профессор считает, что эффективный катализатор для окисления воды является ключом к решению проблем солнечной энергии.

) — процесс конверсии световой энергии в химическую с использованием синтетических супрамолекулярных наноразмерных систем.

Описание

Для устойчивого развития человечеству к 2050 г. необходимо производить 10 ТВт/ч «чистой» энергии, не связанной с выделением парниковых газов. Самый перспективный способ получения «чистой энергии» - использование солнечного излучения. Существует три основных способа применения наноструктур для конверсии солнечной энергии: 1) искусственный фотосинтез с использованием донорно-акцепторных супрамолекулярных ансамблей и кластеров; 2) фотокаталитическое производство водорода; 3) солнечные батареи на основе наноструктурных .

Искусственная фотосистема для превращения световой энергии в химическую должна, как и природная, содержать три основных компонента - фотоантенну, реакционный центр и систему хранения энергии. Фотоантенна поглощает энергию света, а уже затем передает ее в реакционный центр, в котором происходят химические реакции. В фотосистемах высших растений и цианобактерий такую роль играют молекулы .

В природных фотосистемах параметры всех трех компонентов - пространственные, электронные, кинетические и термодинамические - оптимизированы для достижения максимального квантового выхода. В искусственных фотосистемах, кроме высокого квантового выхода, надо достичь как можно большей доли конверсии световой энергии в химическую. При дизайне каждого из этих компонентов надо ответить на два главных вопроса: 1) из каких веществ - хромофоров, - они должны состоять; 2) как собрать эти вещества в единую работающую систему? Фактически, необходимо выбрать «строительные блоки» и придумать способ их соединения между собой.

Проще всего эта задача решается для искусственных фотоантенн (см. также ). В качестве хромофоров выбирают металлопорфирины - тетрапиррольные комплексы металлов, а также их производные. Наиболее популярны порфирины с ионами цинка, магния и платиновых металлов, а также свободные порфирины, в которых центральный атом металла отсутствует. Порфирины соединяют в единую фотоантенну методами , т. е. посредством нековалентных взаимодействий, либо с помощью ковалентных связей (рис.). Варьируя пространственную структуру антенны и состав боковых цепей порфиринов, можно управлять потоком энергии по антенне.

Современное состояние проблемы искусственного фотосинтеза таково, что принципиально решен вопрос синтеза отдельных узлов фотосистемы (фотоантенны, реакционного центра и системы хранения энергии) и их соединения друг с другом. Задача теперь состоит в том, чтобы улучшать характеристики этих систем, сохранив их основное преимущество перед природными - простоту организации.

Иллюстрации

Автор

• Еремин Вадим Владимирович

Источники

1. Kamat Prashant V. Meeting the Clean Energy Demand: Nanostructure Architectures for Solar Energy // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111. P. 2834–2860.
2. Gust D., Moore T. A., Moore A. L. Mimicking Photosynthetic Solar Energy Transduction // Acc. Chem. Res. 2001. V. 34. P. 40–48.
3. Martin N., Sanchez L., Herranz M. A. et al. Electronic Communication in Tetrathiafulvalene (TTF)/C60 Systems: Toward Molecular Solar Energy Conversion Materials? // Acc. Chem. Res. 2007. V. 40. P. 1015–1024.

Природные праноеды, Акинфеев против фотосистемы-1,бактерии-хиппи и бактерии в доспехах, псевдокубы, искусственные листья и деревья, гонки растений и ученых, биология как величайший в мире химик и фотосинтез как он есть - в обстоятельном обзоре сайт.

Запасы нефти не вечны, и мы уже писали об альтернативных способах получения углеводородов. Особняком в списке этих способов стоит искусственный фотосинтез - выработка органического горючего из углекислого газа с помощью солнечной энергии.

Природное праноедение

Нас повсюду окружают настоящие праноеды, что бы ни говорили здравый смысл и врачи. Основная их пища - вода и воздух, соль земли и, конечно, энергия космоса. Солнечный луч, немного веществ из почвы, углекислый газ - и они чувствуют себя отлично. Каждый из вас видел таких, и не одного. Возможно, праноеды прямо сейчас находятся рядом с вами - стоят в горшке на подоконнике или стучат веткой в окно.

Легко догадаться, что речь идет о растениях. Им (а также некоторым бактериям) удается из воды (H₂O), углекислого газа (СO₂) и кванта солнечного света получать органику, углевод глюкозу (C₆H₁₂O₆), и энергию с помощью фотосинтеза. Если вы знаете этот процесс в деталях, можете пропустить эту и следующую главки и перейти к описанию достижений науки в области искусственного фотосинтеза, а если нет - самое время разобраться.

Фотосинтез чаще всего происходит в хлоропластах. Хотя, если вы бактерия и у вас их нет, еще не все потеряно (правда, в таком случае фотосинтез для вас может быть бескислородным, так что Гринпис вас бы не похвалил). Хлоропласты - «электростанции» растительной клетки, окруженные двухслойной оболочкой-мембраной. Ученые считают, что они произошли от цианобактерий, которых поглотила какая-то древняя клетка с ядром, но не стала расщеплять, а вступила с ними в симбиоз. Внутри хлоропластов есть стопки плоских мембранных мешочков-тилакоидов (само это слово происходит от греческого thylakos - «мешочек»). Эти стопки называются гранами (что на латыни означает «стопка монет»), и они соединены между собой более длинными тилакоидами - ламеллами.

Хлоропласты при увеличении в 40 раз

Wikimedia Commons

В мембраны тилакоидов встроены специальные пигменты - хлорофиллы нескольких типов, которые имеют зеленую окраску, так как отражают зеленый свет, а сине-фиолетовый и красный поглощают. «Головка» молекулы хлорофилла содержит атом магния и развернута в сторону водной среды, а «хвост», напротив, гидрофобный («боится» воды) и держит молекулу в мембране. Хлорофиллы организованы в фотосистемы I или II типа, отличающиеся предпочтениями к свету определенного спектра и длины волны (оптимум второй системы смещен в более красную область и составляет 700 нм, а первой - 680 нм). В центре каждой фотосистемы расположена молекула хлорофилла a , которой остальные молекулы хлорофилла в фотосистеме, называемые антенными, как хорошему нападающему, передают пасы - уловленные ими кванты света.

Хлорофилл эффективнее Акинфеева, но этого мало

Первая фаза фотосинтеза проходит на свету, поэтому ее называют световой. Кванты света возбуждают электроны хлорофилла, которые из-за этого покидают молекулу и «убегают» на внешнюю сторону мембраны тилакоида. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, место, где они скопились, становится отрицательно заряженным. Без электронов хлорофиллы долго не скучают - они отбирают их у воды, которая из-за этого распадается на OH⁻ и H⁺ (протоны, положительно заряженные частицы), а затем - на водород и воду. В итоге кислород выделяется, а протоны накапливаются внутри тилакоидов.

Как мы помним, снаружи тилакоиды из-за электронов заряжены отрицательно, а положительный и отрицательный заряды притягиваются. Чтобы соединиться с желанными электронами, протоны H⁺ должны пройти через белок-канал в мембране, который называется АТФ-синтаза. Падая на него, они как бы вращают турбину, помогая АТФ-синтазе оправдывать свое название и из АДФ (аденозиндифосфорной кислоты) синтезировать АТФ (аденозинтрифосфорную кислоту), главную форму хранения энергии в клетке, которая при отщеплении от нее фосфатов (всего их три, поэтому АТФ так и называется) выделяет много энергии. Затем атомы водорода, которые наконец соединились с электронами, принимает на себя специальный переносчик, который сокращенно называется НАДФ (в полном варианте - никотинамидадениндинуклеотидфосфат, но в большинстве случаев заучивание этого слова может пригодиться только для того, чтобы повергать в трепет особенно впечатлительных знакомых).

В темновой фазе, которая может происходить и без участия света, углекислый газ превращается в глюкозу и другие органические вещества. Сначала CO₂ фиксируется пятиуглеродным сахаром (рибулозобифосфатом) под действием фермента (рибулозобифостфат-карбоксилазы), образуя неустойчивое шестиуглеродное соединение. Оно сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты, содержащей три молекулы углерода. Затем следует цикл реакций, называемый циклом Кальвина, в ходе которого используются АТФ и НАДФ*Н2, которые были накоплены в световой фазе.

К чему был этот пространный рассказ? В каждой из этих фаз происходят большие потери энергии, что сильно снижает эффективность природного фотосинтеза как процесса. При поглощении энергии фотонов (с учетом того, что улавливаются не все фотоны и только часть светового потока проходит через фотосинтезирующие части листа) теряется около 63% энергии. Это не так уж и мало. Можно продолжить аналогию между работой фотосистем и игрой в футбол, назвав хлорофилл a вратарем квантов (кстати, в России даже есть любительский футбольный клуб таким с названием - в наукограде Обнинске). Если для облегчения подсчетов очень грубо снизить вероятность голов до одного на матч, хлорофилл все равно улавливает фотоны на 22,2% лучше, чем российский вратарь Игорь Акинфеев - мячи.

Часть энергии фотонов (квантов света) теряется из-за принципа каравана, когда высокоэнергетические фотоны поглощаются заодно с низкоэнергетическими. 9% от общего количества энергии теряется при синтезе глюкозы, затем еще 3% тратится на очистку листа от побочных продуктов фотосинтеза.

Ростки зеленых технологий

Ученые ищут пути получения систем, которые были бы более продуктивны, чем растения, чтобы получать подходящее горючее (и даже не требуют изменений инфраструктуры заправок и фундаментальной перестройки автомобильной промышленности), при создании которого промышленность будет приносить пользу окружающей среде, перерабатывая накапливающийся в атмосфере углекислый газ.

Технологии, которые позволяют синтезировать топливо из углекислого газа без вмешательства живых организмов, часто основаны на рутениевом катализаторе, который был открыт в 2014 году. Этот катализатор позволяет синтезировать метан (CH₄; важнейший компонент природного газа) из водорода (H₂) и углекислого газа (CO₂), однако скорость синтеза - всего один миллимоль метана на грамм катализатора в час. Этим летом химики из Базеля даже предложили вставлять атомы рутения в сложные надмолекулярные структуры, которые будут «присматривать» за ценным катализатором и чинить его, оберегая от полного разрушения, но эффективность катализатора все еще оставляет желать лучшего.

Другой путь - использование природных белков-пигментов фотосистемы I в солнечных батареях. В клетке эти белки, как мы уже писали, находятся в липидной мембране. Она помогает фотосистеме I «держать строй» и выступает «изоляцией». Заменить эту мембрану предлагают пептидом - короткой цепочкой из шести аминокислот-аланинов и одной аминокислоты лизина. Улучшить поглощение света такой батареей помогают нанопокрытия - ряды стержней из оксида цинка или губчатые структуры из оксида титана. Однако эти технологии пока не вышли на уровень, когда коммерческое производство становится целесообразным. К тому же они помогают получать электричество, а не топливо, что менее эффективно и потребует преобразования всей инфраструктуры, если мы вдруг захотим перейти на электромобили.

Поэтому сейчас ученые все больше склоняются к гибридным технологиям, использующим живые одноклеточные организмы (как ни странно, обычно нефотосинтезирующие, но умеющие фиксировать CO₂) для синтеза органических соединений, которые можно легко переработать в топливо.

Продолжение обзора читайте

, супрамолекулярная химия , хлорофилл Определение Процесс конверсии световой энергии в химическую с использованием синтетических супрамолекулярных наноразмерных систем .
Описание

Для устойчивого развития человечеству к 2050 году необходимо производить 10 ТВт «чистой» энергии, не связанной с выделением парниковых газов. Самый перспективный способ получения «чистой энергии» – использование солнечного излучения. Существует три основных способа применения наноструктур для конверсии солнечной энергии : 1) искусственный фотосинтез с использованием донорно-акцепторных супрамолекулярных ансамблей и кластеров; 2) фотокаталитическое производство водорода; 3) солнечные батареи на основе наноструктурных полупроводников .

Искусственная фотосистема для превращения световой энергии в химическую должна, как и природная, содержать три основных компонента – фотоантенну, реакционный центр и систему хранения энергии . В природных фотосистемах параметры этих компонентов – пространственные, электронные, кинетические и термодинамические – оптимизированы для достижения максимального квантового выхода. В искусственных фотосистемах, кроме высокого квантового выхода, надо достичь как можно большей доли конверсии световой энергии в химическую. При дизайне каждого из этих компонентов решают два главных вопроса: 1) из каких веществ – хромофоров, доноров, акцепторов – они должны состоять; 2) как собрать эти вещества в единую работающую систему? Фактически, необходимо выбрать «строительные блоки» и придумать способ их соединения между собой.

Проще всего эта задача решается для искусственных фотоантенн. В качестве хромофоров выбирают металлопорфирины – тетрапиррольные комплексы металлов, а также их производные. Наиболее популярны порфирины с ионами цинка, магния и платиновых металлов, а также свободные порфирины, в которых центральный атом металла отсутствует. Порфирины соединяют в единую фотоантенну методами супрамолекулярной химии, то есть посредством нековалентных взаимодействий, либо с помощью ковалентных связей (рис. 1). Варьируя пространственную структуру антенны и состав боковых цепей порфиринов, можно управлять потоком энергии по антенне.

Современное состояние проблемы искусственного фотосинтеза таково, что принципиально решен вопрос синтеза отдельных узлов фотосистемы (фотоантенны, реакционного центра и системы хранения энергии) и их соединения друг с другом. Задача теперь состоит в том, чтобы улучшать характеристики этих систем, сохранив их основное преимущество перед природными – простоту организации.

Прогресс в области дизайна искусственных фотосистем оказывает взаимное влияние на работы в области молекулярной оптоэлектроники .

• Еремин Вадим Владимирович, д.ф.-м.н.

1. Kamat Prashant V. Meeting the Clean Energy Demand: Nanostructure Architectures for Solar Energy //J. Phys. Chem. C. - v. 111, 2007 - p. 2834-2860.
2. Gust D., Moore T. A., Moore A. L. Mimicking Photosynthetic Solar Energy Transduction // Acc. Chem. Res. - 2001. v. 34 - p. 40–48.
3. Martin N., Sanchez L., Herranz M.A. , Illescas B., Guldi D.M. Electronic Communication in Tetrathiafulvalene (TTF)/C60 Systems: Toward Molecular Solar Energy Conversion Materials?// Acc. Chem. Res. - 2007, v. 40 - P. 1015–1024.

Энциклопедический словарь нанотехнологий. - Роснано . 2010 .

Смотреть что такое "искусственный фотосинтез" в других словарях:

Искусственный фотосинтез попытки воспроизведения естественного процесса фотосинтеза. При этом под воздействием солнечного света вода и диоксид углерода преобразуются в молекулярный кислород и глюкозу. Иногда к искусственному фотосинтезу… … Википедия

Лист растения … Википедия

Термин фотосинтез Термин на английском photosynthesis Синонимы Аббревиатуры Связанные термины бактериохлорофилл, искусственный фотосинтез, супрамолекулярная фотохимия, хлорофилл Определение образование зелеными растениями и некоторыми бактериями… …

Содержит некоторые из самых выдающихся текущих событий, достижений и инноваций в различных областях современной технологии. Новые технологии это те технические нововведения, которые представляют прогрессивные изменения в рамках области… … Википедия

Фотоэлектрохимические ячейки разновидность солнечных батарей предназначены для преобразования светового излучения (включая видимый свет) в электрическую энергию. Состоят из полупроводникового фотоанода и металлического катода,… … Википедия

Термин наноэлектроника Термин на английском nanoelectronics Синонимы Аббревиатуры Связанные термины искусственный фотосинтез, наноалмаз Определение область науки и техники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Термин супрамолекулярная фотохимия Термин на английском supramolecular photochemistry Синонимы Аббревиатуры Связанные термины бактериохлорофилл, искусственный фотосинтез, супрамолекулярная химия, хлорофилл Определение Раздел фотохимии, изучающий… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Термин супрамолекулярная химия Термин на английском supramolecular chemistry Синонимы Аббревиатуры Связанные термины биомиметика, ван дер ваальсово взаимодействие, водородная связь, гидрофобное взаимодействие, донорно акцепторное взаимодействие,… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Термин хлорофилл Термин на английском chlorophyll Синонимы Аббревиатуры Chl Связанные термины бактериохлорофилл, искусственный фотосинтез, клетка, супрамолекулярная фотохимия, хелаты Определение Хлорофилл – зеленый пигмент растений, водорослей и… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Термин биомиметика Термин на английском biomimetics Синонимы бионика Аббревиатуры Связанные термины антитело, биоинженерия, биомиметические наноматериалы, ДНК, искусственный фотосинтез, РНК, супрамолекулярная химия, тканевая инженерия Определение … Энциклопедический словарь нанотехнологий

МОСКВА, 26 ноя — РИА Новости, Ольга Коленцова. В атмосфере концентрация свободного кислорода составляет 20,95%, а углекислого газа — 0,04%. Это соотношение поддерживается жизненными циклами представителей флоры и фауны. Но количество растений на нашей планете стремительно уменьшается, а объемы выбросов углекислого газа растут. Поэтому уже сейчас ученые озаботились разработкой технологий, которые бы могли обеспечить людей и животных пригодным для дыхания воздухом в будущем.

Основную роль в процессе фотосинтеза играет свет. Из солнечного излучения, доходящего до Земли, лишь половина имеет длину волны, с которой может "работать" хлорофилл. Причем максимумы поглощения находятся в синей (около 400 нанометров) и красной (около 700 нанометров) областях спектра.

"Этот зеленый пигмент содержится в листьях и захватывает солнечный свет, а набор ферментов и других протеинов использует энергию, чтобы расщеплять молекулы воды на кислород, водород и электроны. Протоны водорода и электроны, движущиеся по цепочке из белков, принимают участие в создании энергии, необходимой для синтеза органических соединений", — поясняет Павел Федураев, старший научный сотрудник Лаборатории природных антиоксидантов Института живых систем Балтийского федерального университета им. И. Канта.

Из подходящего диапазона солнечного излучения большая часть теряется в процессе поглощения и внутренних реакций. В среднем для фотосинтеза растениями используется лишь 1-2% от всего поступающего на Землю солнечного света.

© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина

© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина

Чтобы воссоздать фотосинтез в искусственных условиях, необходимо повторить два ключевых этапа: сбор солнечной энергии и расщепление молекул воды. Кстати, искусственный фотосинтез возможно использовать для производства как кислорода, так и водорода. Во втором случае человечество будет надежно обеспечено экологичным, эффективным и недорогим топливом.

Пока исследования искусственного фотосинтеза находятся на стадии лабораторных разработок. Полупроводники и живые бактерии помещают в фотосинтетическую биогибридную систему (искусственный лист), на которую воздействуют солнечным светом. Полупроводники собирают его энергию, генерируя электроны, необходимые для того, чтобы состоялась реакция в растворе воды и углекислого газа. Бактерия использует электроны для преобразования молекулы углекислого газа, тем самым способствуя образованию водорода (H2), метана (CH4), этанола (C2H5OH). А вода в это же время окисляется на поверхности другого полупроводника, в процессе чего выделяется кислород.

Но расщепить молекулу воды не так просто, это требует около двух с половиной электронвольт энергии. Следовательно, нужен катализатор, который "подтолкнет" химическую реакцию.

Некоторые исследователи, занимающиеся искусственным фотосинтезом, имитируют естественный процесс без привлечения живых организмов. По большому счету эти разработки сводятся к созданию принципиально нового катализатора, так как существующие (основанные на магнии, титане, кобальте, рутении) довольно токсичны и имеют низкий коэффициент полезного действия.

Есть разработки по искусственному фотосинтезу, в которых используются живые организмы (пока только бактерии и отдельно взятые клетки). Подобные исследования основаны на получении информации о фотосинтезе с помощью цианобактерий. Сначала им в геном вставляется последовательность нуклеотидов, содержащая инструкции по синтезу белковых меток. Далее живые организмы извлекаются вместе с метками и проводится исследование полученной фотосистемы (бактерий, которые перерабатывают белки). Ученые утверждают, что данная информация поможет создать искусственные аналоги фотосинтеза.