Светът е изправен пред нарастващото търсене на чисти и устойчиви енергийни източници и затова учените се обръщат към силата на фотосинтезата. С цел разработване на нови, екологични техники за производство на водородно гориво с чисто изгаряне, екип от изследователи от университета в Рочестър се захващат с новаторски проект за имитиране на естествения процес на фотосинтеза. Той използва бактерии за доставяне на електрони до нанокристален полупроводников фотокатализатор .
В статия, публикувана в списание PNAS, професорите по химия Кара Брен, Ричард С. Айзенберг и Тод Краус, демонстрират, че бактерията Shewanella oneidensis предлага безплатен и ефикасен начин за осигуряване на електрони на тяхната система за изкуствена фотосинтеза.
Чрез използване на уникалните свойства на тези микроорганизми заедно с наноматериалите, системата има потенциала да замени настоящите подходи, които извличат водорода от изкопаеми горива Тя ще революционизира начина, по който се произвежда водородно гориво и ще отключи мощен източник на възобновяема енергия.
„Водородът определено е гориво от голям интерес за Министерството на енергетиката в момента“, казва Брен. „Ако можем да измислим начин за ефективно извличане на водород от вода, това може да доведе до невероятен растеж на чистата енергия.“
„Идеалното гориво“
Водородът е "идеалното гориво", казва Брен, "защото е екологично чист и е алтернатива на изкопаемите горива."
Водородът е най-разпространеният елемент във Вселената и може да се произведе от различни източници, включително вода, природен газ и биомаса. За разлика от изкопаемите горива, които произвеждат парникови газове и други замърсители, когато водородът се изгаря, единственият страничен продукт е водната пара.
Водородното гориво има висока енергийна плътност, което означава, че съдържа много енергия на единица тегло. Може да се използва в различни приложения, включително горивни клетки. Той може да се произвежда както в малки, така и в големи мащаби, което го прави приложим за всичко - от употреба за домакинствата до промишленото производство.
Предизвикателствата при използването на водород
Въпреки изобилието от водород, на Земята практически няма чист водород; той почти винаги е свързан с други елементи, като въглерод или кислород в съединения. За да се използва този водород като източник на гориво, той трябва да бъде извлечен от тези съединения.
В миналото учените са извличали водород или от изкопаеми горива, или от вода. За да се постигне извличането от вода, се налага прилагането на изкуствена фотосинтеза.
По време на естествената фотосинтеза растенията абсорбират слънчева светлина, която използват за захранване на химични реакции - превръщане на въглеродния диоксид и водата в глюкоза и кислород. Светлинната енергия се превръща в химическа енергия, която захранва организма.
По подобен начин изкуствената фотосинтеза е процес на превръщане на суровина и слънчева светлина в химическо гориво. Системите, които имитират фотосинтезата, изискват три компонента: абсорбер на светлина, катализатор за производството на гориво и източник на електрони. Тези системи обикновено са потопени във вода, докато източник на светлина осигурява енергията за абсорбера. Енергията позволява на катализатора да комбинира предоставените електрони заедно с протони от заобикалящата вода, за да произведе водороден газ.
Повечето от настоящите системи разчитат на изкопаеми горива или нямат ефективен начин за пренос на електрони.
„Начинът, по който се произвежда водородното гориво в момента, го прави изкопаемо гориво“, казва Брен. „Искаме да получим водород от вода в реакция, управлявана от светлина, така че да имаме наистина чисто гориво – и да го направим по начин, по който не използваме изкопаеми горива в процеса.“
Уникалната система на Рочестър
Групата на Краус и групата на Брен работят от около десетилетие, за да разработят ефективна система, която използва изкуствена фотосинтеза и полупроводникови нанокристали за абсорбери и катализатори.
Предизвикателството, пред което са изправени изследователите, е намирането на източник на електрони и ефективното им прехвърляне от донора към нанокристалите. Други системи използват аскорбинова киселина, известна като витамин С, за да доставят електрони обратно в системата. „Въпреки че витамин С може да изглежда евтин, ние имаме нужда от източник на електрони, който е почти безплатен или системата става твърде скъпа", казва Краус.
В своята статия Краус и Брен разказват за малко вероятния донор на електрони: бактериите. Те откриват, че Shewanella oneidensis, бактерии, намерени за първи път в езерото Oneida в северната част на щата Ню Йорк, предлагат безплатен и ефикасен начин за осигуряване на електрони в тяхната система.
Другите лаборатории комбинират наноструктури и бактерии, за да вземат електрони от нанокристалите и да ги поставят в бактериите, след което използват бактериална машина за приготвяне на горивото. „Доколкото знаем, нашият е първият случай, който тръгва по обратния път и използва бактериите като източник на електрони за нанокристалния катализатор.“ казва Брен.
Когато бактериите растат при анаеробни условия - условия без кислород - те вдишват клетъчни вещества като гориво, освобождавайки електрони в процеса. Shewanella oneidensis може да вземе електрони, генерирани от собствения си вътрешен метаболизъм, и да ги даде на външния катализатор.
Гориво на бъдещето
Брен предвижда, че в бъдеще домакинствата биха могли да използват вани и подземни резервоари, за да черпят от силата на слънцето за производство и съхранение на малки партиди водород. Той от своя страна, ще захранва домовете и колите им с евтино гориво с чисто изгаряне. Брен отбелязва, че в момента има влакове, автобуси и автомобили, задвижвани от водородни горивни клетки, но почти целият водород за захранване на тези системи, идва от изкопаеми горива.
„Технологията е там“, казва тя, „но докато водородът не идва от вода в реакция, управлявана от светлина – без да се използват изкопаеми горива – това не помага на околната среда.“