С каждым днем темная сторона нашей зависимости от ископаемого топлива становится все более очевидной. Помимо сокращения выбросов углекислого газа, общество должно найти устойчивые альтернативы для обеспечения энергией современного мира.
В новом исследовании Гэри Мур и его исследовательская группа изучают различные подходы к катализу, химическому процессу, который играет важную роль в биологических реакциях, а также во многих промышленных применениях.
Катализаторы - это вещества, которые ускоряют скорость химических реакций, не расходуясь в процессе реакции. Ферментные катализаторы настолько важны в природе, что жизнь без них была бы невозможна, так как условия внутри живых клеток не способствуют протеканию многих жизненно важных химических процессов. Химические реакции, для протекания которых в противном случае потребовались бы часы или даже дни, могут протекать менее чем за секунду с помощью ферментных катализаторов.
Химические катализаторы использовались в самых разных областях человеческой деятельности, начиная от фармацевтических разработок и заканчивая биоразлагаемыми пластиками и экологически безопасными удобрениями. Они также могут способствовать развитию экологически чистых энергетических решений для преодоления климатического кризиса, область, которой активно занималась группа Мура.
Мур является исследователем в Центре биодизайна для прикладных структурных исследований (CASD) и доцентом в Школе молекулярных наук (SMS) ASU. К нему присоединились Дайки Нишиори, аспирант SMS и ведущий автор нового исследования, а также Брайан Уодсворт, бывший аспирант SMS, который сейчас работает в корпорации Intel.
Результаты исследования опубликованы в текущем выпуске журнала Chem Catalysis.
Катализаторы вблизи
Новое исследование основано на исследованиях поведения катализаторов, проведенных Муром и его коллегами из ASU, а также другими исследователями в этой области. В текущей перспективной статье описываются три формы катализа - ферментативный, электрокаталитический и фотоэлектросинтетический - с изложением прогресса на сегодняшний день и выделением некоторых из остающихся проблем, с которыми сталкиваются ученые, стремящиеся к всестороннему пониманию этих важных явлений.
Хотя благодаря изучению ферментативного катализа в живых организмах удалось многое узнать, исследователи надеются разработать синтетические альтернативы, которые могут улучшить замыслы природы. «Сложно имитировать биологические ферменты для катализа», - говорит Нисиори. «Биологические ферменты имеют сложную трехмерную белковую структуру» и работают в совершенно иных условиях, чем большинство катализаторов, созданных человеком.
Вместо этого исследователи надеются создать новую линейку синтетических катализаторов для проведения химических реакций с высокой эффективностью. Успешные результаты могут значительно улучшить промышленное производство многих продуктов, приносящих пользу обществу. К ним относятся новые виды углеродно-нейтрального или безуглеродного топлива.
«В этой статье мы охватываем значительный объем материала, включая традиционный химический катализ ферментами, а также электрокаталитические процессы, опосредованные биологическими и/или синтетическими комплексами», - говорит Мур. Затем исследование переходит к описанию гибридных систем, которые улавливают энергию лучистого света и используют ее для запуска реакций переноса заряда. Очевидная параллель в природе - фотосинтетические процессы, осуществляемые растениями.
Но технологии искусственного фотосинтеза не могут просто воспроизвести план природы. В дополнение к ограниченному пониманию структурно-функциональных отношений, управляющих их работой, фотосинтезирующие растения преобразуют и сохраняют лишь 1% падающего солнечного света, собранного их листьями, в виде химических связей. Эти связи в конечном итоге составляют продукты, которые мы едим, а в более длительных геологических масштабах - ископаемое топливо на основе углерода, на которое опирается наше современное общество. Это все, что нужно здоровому растению для развития и размножения, но этого недостаточно для применения человеком.
Яркое исследование
Разработка новых фотоэлектросинтетических устройств включает в себя использование технологии сбора света, аналогичной современным фотогальваническим элементам, и связывание ее с тонким слоем каталитического материала. В этой схеме носители заряда переносятся с поверхности полупроводника на каталитические центры. Когда катализатор накапливает достаточное количество носителей заряда, он переходит в так называемое активированное состояние, что позволяет продолжить катализ. Этот процесс можно использовать для производства водорода из воды или для получения восстановленных форм CO2,включая метан, монооксид углерода, жидкое топливо и другие промышленно полезные продукты.
В случае более традиционного солнечного элемента вашей конечной целью является преобразование солнечного света в электрическую энергию. Системы, которые мы разрабатываем, используют солнечную энергию для ускорения химических превращений», - говорит Мур. Вместо производства электроэнергии падающий солнечный свет приводит к катализу химических реакций, в конечном итоге генерируя топливо.
Здесь описываемое нами топливо не связано с ископаемыми источниками углерода. Мы можем разработать химию, которая либо не содержит углерода, включая преобразование воды в газообразный водород, который может служить топливом, либо мы можем использовать CO2 из атмосферы для производства углеродосодержащего топлива», - говорит Мур. «В этом последнем примере, хотя получаемое топливо основано на углероде, в атмосферу не выбрасывается никаких новых источников CO2». Этот процесс представляет собой переработку углерода.
Мур называет такие технологии фотоэлектросинтетическими. Хотя они имеют большие перспективы для производства чистой энергии и более чистого производства полезных промышленных продуктов, понимание химии как на теоретическом, так и на практическом уровне является сложной задачей. Фотоны света и носители заряда, используемые для ускоренного катализа, представляют собой квантовые объекты с особенно тонкими свойствами, которые исследователи все еще пытаются точно смоделировать.
Создание эффективных технологий для решения будущих энергетических задач потребует более глубокого математического понимания динамики сбора света, а также каталитических процессов и движения заряда. Настоящее исследование представляет собой предварительный шаг в этом направлении.
Помимо этих достижений, исследователям в области материаловедения необходимо будет разработать материалы, более подходящие для использования в этих процессах, изготовленные из прочных и доступных материалов.
Новые пути через энергетический лабиринт
В дополнение к чисто научным препятствиям, которые необходимо решить, Мур заявляет, что изменения в государственной политике будут решающими факторами успеха более экологичных энергетических технологий. «Очень сложно конкурировать с существующей технологией, которая предполагает простое бурение отверстия в земле для извлечения уже имеющегося источника энергии», - говорит Мур. Жизненно важное значение также будет иметь научно образованная общественность, способная сделать осознанный выбор при голосовании, который повлияет на то, как общество будет инвестировать в будущую инфраструктуру. «Хотим ли мы инвестировать в технологии, которые сводят к минимуму воздействие изменения климата, или мы продолжаем использовать энергетическую инфраструктуру с компонентами и процессами, которым более ста лет?»
Мур надеется, что достижения в области ферментативных, электрокаталитических и фотоэлектросинтетических технологий сыграют важную роль в более устойчивом и менее разрушительном энергетическом будущем.