Физики создали расщепитель воды из белка цианобактерий

Новое устройство призвано разделять воду на водород и кислород напрямую, просто под действием солнечного света. Авторы изобретения надеются, что находка поможет эффективно вырабатывать экологически чистое топливо.

Учёные из швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологии (EMPA) совместно с коллегами из университета Базеля (Universität Basel) и аргоннской национальной лаборатории (Argonne National Laboratory) создали и испытали нанобиоэлектрод для фотоэлектрохимической ячейки (PEC).

В устройстве такого типа расщепление воды идёт непосредственно на поверхности электродов, выставленных на свет. Так что отпадает необходимость в промежуточной выработке электроэнергии, как в случае классического тандема «солнечные батареи – электролизёр».

На роль материала для PEC физики не раз пробовали оксиды металлов (некоторые из них обладают хорошими фотокаталитическими свойствами). В новой работе учёные решили применить гематит (разновидность оксида железа). Он усваивает энергию лучей в видимом спектре, дёшев и к тому же широко распространён.

Однако главная изюминка эксперимента — второй компонент электрода. Это фикоцианин (phycocyanin), белок, содержащийся в сине-зелёных водорослях (цианобактериях).

Плёнка из наночастиц гематита (красный цвет) с сетью белкового пигмента (зелёный) под электронным микроскопом. Масштабная линейка – 1 микрометр (фото E. Vitol, Argonne National Laboratory).

"Я был вдохновлён природным фотосинтезом цианобактерий, в котором фикоцианин выступает в качестве основного собирающего свет компонента. Я хотел запустить искусственный фотосинтез с использованием керамики и белков", — вспоминает Дебаджит Бора (Debajeet K. Bora) из EMPA, главный автор разработки.

Исследователи поместили сеть молекул фикоцианина на поверхность гематитового электрода. При этом, утверждает Бора, белок образовал с оксидом железа ковалентную связь.

Испытав такой гибридный материал, учёные обнаружили, что электрод с биологической добавкой производит вдвое больший индуцированный фототок в сравнении с аналогом, построенным из одного гематита. То есть новый материал поглощал и использовал больше фотонов.

При этом белковый комплекс на поверхности пластины, к удивлению специалистов, оказался довольно стойким. Он не разрушался при контакте с оксидом железа в щелочной среде на ярком свете, хотя теоретически эти условия для него не слишком-то благоприятны.

Разработка EMPA представляет интерес в качестве возможного способа производства водородного горючего. Нужно только выяснить, как массово создавать такие электроды и как они будут работать в реальных установках, а не в крохотном лабораторном образце.