Исследователи из Кембриджского университета ранее уже доказывали, что биологические катализаторы или ферменты могут производить топливо с использованием возобновляемых источников энергии, однако — с низкой эффективностью.
Их последнее исследование продемонстрировало повышенную эффективность производства топлива — как минимум в 18 раз в лабораторных условиях. Это доказало, что загрязняющие выбросы углерода могут быть эффективно превращены в экологически чистое топливо без потерь энергии.
Большинство методов преобразования диоксида углерода (CO2) в топливо производят нежелательные побочные продукты — например, такие, как водород. Ученые могут изменить химические условия, чтобы свести к минимуму производство водорода, — но это, в свою очередь, снижает производительность преобразования CO2.
Доказательство концепции, разработанной Кембриджским университетом, основано на ферментах, выделенных из бактерий для запуска химических реакций, которые превращают CO2 в топливо. Этот процесс называется электролизом. Ферменты, как правило, более эффективны, чем другие катализаторы — такие как золото, но они очень чувствительны к местной химической среде. Если она не совсем подходит для них, то ферменты распадаются, и химические реакции идут 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 в течение миллионов лет, чтобы быть чрезвычайно эффективными и избирательными, — и они отлично подходят для производства топлива, потому что у них нет никаких нежелательных побочных продуктов», — рассказала доктор Эстер Эдвардс Мур из Кембриджского химического факультета имени Юсуфа Хамида, автор статьи PNAS.
«Однако чувствительность к ферментам связана с другим набором проблем. Наш метод учитывает эту чувствительность, так что местная среда регулируется в соответствии с идеальными условиями работы фермента», — добавила ученая.
Исследователи использовали вычислительные методы для разработки системы для улучшения электролиза CO2. При использовании системы 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 при этом производит топливо, а другой контролирует окружающую среду. Исследователи обнаружили, что добавление другого фермента ускорило реакции, повысив эффективность и уменьшив нежелательные побочные продукты.
«Мы получили именно то топливо, которое хотели — без побочных продуктов и с минимальными потерями энергии», — отметил доктор Сэм Кобб, первый автор статьи Nature Chemistry.
«Электролиз играет большую роль в сокращении выбросов углерода. Вместо того, чтобы улавливать и хранить CO2 , что невероятно энергоемко, мы продемонстрировали новую концепцию улавливания углерода и получения из него чего-то полезного энергоэффективным способом», — объяснил суть исследования профессор Эрвин Рейснер.
Ученые рассказали, что секрет более эффективного электролиза CO2 кроется в катализаторах. В последние годы были достигнуты большие успехи в разработке синтетических катализаторов — однако они все еще не дотягивали до ферментов, которые исследователи использовали в этой работе.
«Как только вам удастся сделать более качественные катализаторы, множество проблем, связанных с электролизом CO2, просто исчезнут. Мы демонстрируем мировому научному сообществу, что как только мы сможем производить катализаторы будущего, то сможем покончить со многими компромиссами, на которые нам приходится идти сегодня», — отметил Кобб.
«Как только мы разработали концепцию, улучшение производительности было поразительным. Я боялся, что мы потратим годы, пытаясь понять, что происходит на молекулярном уровне, но как только мы по-настоящему оценили влияние местной среды, все стало развиваться очень быстро. В будущем мы хотели бы использовать все то, что узнали, для решения некоторых сложных проблем, с которыми борются современные катализаторы, — например, использование CO2 прямо из воздуха. Это условия, при которых свойства ферментов как идеальных катализаторов действительно могут блистать», — подытожил ученый.
Читать далее
Самое большое генеалогическое древо человечества показало историю нашего вида
Физики воссоздали способности Т-1000 из «Терминатора-2» в лаборатории
Ученые, возможно, нашли недостающее звено между одноклеточными и клетками человека