Новини науки

Дослідники з Кембриджського університету раніше вже доводили, що біологічні каталізатори або ферменти можуть виробляти паливо з використанням відновлюваних джерел енергії, однак — з низькою ефективністю.

Їх останнє дослідження продемонструвало підвищену ефективність виробництва палива – як мінімум в 18 разів в лабораторних умовах. Це довело, що забруднюючі викиди вуглецю можуть бути ефективно перетворені в екологічно чисте паливо без втрат енергії.

Більшість методів перетворення діоксиду вуглецю (CO2) в паливо виробляють небажані побічні продукти — наприклад, такі, як водень. Вчені можуть змінити хімічні умови, щоб звести до мінімуму виробництво водню — – але це, в свою чергу, знижує продуктивність перетворення CO2.

Доказ концепції, розробленої Кембриджським університетом, базується на ферментах, виділених з бактерій для запуску хімічних реакцій, які перетворюють CO2 в паливо. Цей процес називається електролізом. Ферменти, як правило, більш ефективні, ніж інші каталізатори — такі як золото, але вони дуже чутливі до місцевого хімічного середовища. Якщо вона не зовсім підходить для них, то ферменти розпадаються, і хімічні реакції йдуть повільно.

Дослідники з Кембриджу, працюючи з командою з Університету Нова-де-Лісабон в Португалії, розробили метод підвищення ефективності електролізу шляхом точного налаштування умов розчину для зміни локального середовища ферментів.

Філворди українською на Android

Графенова мембрана перетворить морську воду на питну

“Ферменти розвивалися протягом мільйонів років, щоб бути надзвичайно ефективними та вибірковими, і вони чудово підходять для виробництва палива, оскільки вони не мають небажаних побічних продуктів”, – сказав доктор Естер Едвардс Мур з Кембриджського хімічного факультету Юсуфа Хаміда, автор статті PNAS.

“Однак чутливість до ферментів пов’язана з іншим набором проблем. Наш метод враховує цю чутливість, так що місцеве середовище регулюється відповідно до ідеальних умов роботи ферменту», — додала вчена.

Дослідники використовували обчислювальні методи для розробки системи для поліпшення електролізу CO2. При використанні системи на основі ферментів рівень виробництва палива збільшився в 18 разів у порівнянні з поточним еталонним рішенням.

Щоб ще більше поліпшити місцеве навколишнє середовище, команда показала, як два ферменти можуть працювати разом: один при цьому виробляє паливо, а інший контролює навколишнє середовище. Дослідники виявили, що додавання іншого ферменту прискорило реакції, підвищивши ефективність і зменшивши небажані побічні продукти.

«Ми отримали саме те паливо, яке хотіли — без побічних продуктів і з мінімальними втратами енергії”, – зазначив доктор Сем Кобб, перший автор статті Nature Chemistry.

“Електроліз відіграє велику роль у скороченні викидів вуглецю. Замість того, щоб вловлювати і зберігати CO2, що неймовірно енергоємні, ми продемонстрували нову концепцію уловлювання вуглецю і отримання з нього чогось корисного енергоефективним способом», – пояснив суть дослідження професор Ервін Рейснер.

Вчені розповіли, що секрет більш ефективного електролізу CO2 криється в каталізаторах. В останні роки були досягнуті великі успіхи в розробці синтетичних каталізаторів – однак вони все ще не дотягували до ферментів, які дослідники використовували в цій роботі.

«Як тільки вам вдасться зробити більш якісні каталізатори, безліч проблем, пов’язаних з електролізом CO2, просто зникнуть. Ми демонструємо світовій науковій спільноті, що як тільки ми зможемо виробляти каталізатори майбутнього, то зможемо покінчити з багатьма компромісами, на які нам доводиться йти сьогодні», — зазначив Кобб.

“Як тільки ми розробили концепцію, поліпшення продуктивності було вражаючим. Я боявся, що ми витратимо роки, намагаючись зрозуміти, що відбувається на молекулярному рівні, але як тільки ми по-справжньому оцінили вплив місцевого середовища, все стало розвиватися дуже швидко. У майбутньому ми хотіли б використовувати все те, що дізналися, для вирішення деяких складних проблем, з якими борються сучасні каталізатори, — наприклад, використання CO2 прямо з повітря. Це умови, при яких властивості ферментів як ідеальних каталізаторів дійсно можуть блищати», — підсумував вчений.