Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

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.

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.

) — 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.