Ночера, профессор энергетики Паттерсона Роквуда в Гарвардском университете, и Памела Сильвер, профессор биохимии и системной биологии Гарвардской медицинской школы Эллиот Т. и Они Х. Адамс, совместно создали систему, которая использует солнечную энергию для расщепления молекул воды. и бактерии, потребляющие водород, для производства жидкого топлива.Статья, ведущими авторами которой являются аспирант Чонг Лю и аспирант Брендан Колон, описана в статье, опубликованной 3 июня в журнале Science.«Это настоящая система искусственного фотосинтеза», — сказал Ночера. «Раньше люди использовали искусственный фотосинтез для расщепления воды, но это настоящая система от А до Я, и мы хорошо изучили эффективность фотосинтеза в природе».«Хотя исследование показывает, что систему можно использовать для производства пригодного для использования топлива, ее потенциал на этом не заканчивается», — сказал Сильвер, который также является одним из основателей Института Висса при Гарвардском университете.
«Красота биологии в том, что это величайший химик в мире — биология может заниматься химией, с которой нелегко», — сказала она. «В принципе, у нас есть платформа, которая может производить любую последующую молекулу на основе углерода. Так что у нее есть потенциал, чтобы быть невероятно универсальным».Названная «бионическим листом 2.0», новая система основана на предыдущих работах Ночера, Сильвера и других, которые, хотя и могли использовать солнечную энергию для производства изопропанола, столкнулись с рядом проблем.
По словам Ночера, главной из этих проблем является тот факт, что катализатор, используемый для производства водорода — никель-молибден-цинковый сплав — также создает активные формы кислорода, молекулы, которые атакуют и разрушают ДНК бактерий. Чтобы избежать этой проблемы, исследователи были вынуждены запустить систему при аномально высоких напряжениях, что привело к снижению эффективности.
«Для этой статьи мы разработали новый катализатор из кобальто-фосфорного сплава, который, как мы показали, не образует активных форм кислорода», — сказал Ночера. «Это позволило нам снизить напряжение и привело к значительному повышению эффективности».По словам Ночера, теперь система может преобразовывать солнечную энергию в биомассу с 10-процентной эффективностью, что намного выше одного процента, наблюдаемого у самых быстрорастущих растений.Помимо повышения эффективности, Носера и его коллеги смогли расширить портфель системы, включив изобутанол и изопентанол. Исследователи также использовали эту систему для создания PHB, прекурсора биопластика, процесс, впервые продемонстрированный профессором Массачусетского технологического института Энтони Сински.
Новый катализатор также имел еще одно преимущество — его химическая структура позволяет ему «самовосстановиться», то есть он не переходит в раствор.«Это гений Дэна», — сказал Сильвер. «Эти катализаторы полностью биологически совместимы».Хотя, возможно, еще есть возможности для дополнительного повышения эффективности, Носера сказал, что система уже достаточно эффективна, чтобы рассматривать возможные коммерческие приложения, но в рамках другой модели трансляции технологий.
«Это важное открытие — оно говорит о том, что мы можем добиться большего, чем фотосинтез», — сказал Ночера. «Но я также хочу принести эту технологию и в развивающийся мир».Работая совместно с программой «Первые 100 Вт» в Гарварде, которая помогла финансировать исследования, Nocera надеется продолжить разработку технологии и ее приложений в таких странах, как Индия, с помощью своих ученых.
Во многих отношениях, сказал Ночера, новая система знаменует выполнение обещания его «искусственного листа», который использовал солнечную энергию для разделения воды и производства водородного топлива.«Если задуматься, фотосинтез — это потрясающе», — сказал он. «Он берет солнечный свет, воду и воздух — а затем смотрит на дерево.
Это именно то, что мы сделали, но мы делаем это значительно лучше, потому что мы превращаем всю эту энергию в топливо».