Биогибридный лист: солнечная энергия превращает CO₂ в химикаты

Учёные разработали инновационный метод производства химических веществ, лежащих в основе тысяч повседневных продуктов — от пластиков до косметики. Новый подход использует солнечный свет, воду и углекислый газ, предлагая устойчивую альтернативу традиционным методам, зависящим от ископаемого топлива.

Химическая промышленность, преобразующая сырьё в полезные конечные продукты, ответственна примерно за 6% мировых выбросов углерода. Разработка гибридного устройства, сочетающего органические полимеры, улавливающие свет, с бактериальными ферментами, открывает путь к «декарбонизации» этого сектора.

Устройство, названное «полуискусственным листом», имитирует фотосинтез — процесс, с помощью которого растения преобразуют солнечный свет в энергию. В отличие от более ранних прототипов, новая конструкция избегает токсичных полупроводников, работает дольше и не требует дополнительных химических добавок, ранее снижавших эффективность.

В ходе испытаний исследователи использовали солнечный свет для преобразования углекислого газа в формиат, который затем непосредственно применялся в каскадной химической реакции для производства важного класса соединений, используемых в фармацевтике. Результаты демонстрируют высокую эффективность и чистоту процесса.

Это первый случай использования органических полупроводников в качестве светопоглощающего компонента в подобном биогибридном устройстве. Интеграция ферментов сульфатредуцирующих бактерий с органическими полупроводниками позволяет расщеплять воду на водород и кислород или преобразовывать CO₂ в формиат.

Ключевым достижением стало устранение необходимости в химических добавках-буферах, которые быстро разлагались и ограничивали стабильность системы. Встроив вспомогательный фермент карбоангидразу в пористую структуру из диоксида титана, исследователи добились работы устройства в простом растворе бикарбоната, аналогичном газированной воде.

Тесты показали, что искусственный лист производит высокие токи и достигает почти идеальной эффективности в направлении электронов в реакции производства топлива. Устройство успешно работало более 24 часов — вдвое дольше предыдущих аналогов.

Учёные планируют дальнейшее развитие конструкции для увеличения срока службы устройства и адаптации его для производства различных типов химических продуктов. Этот подход представляет собой фундаментальную платформу для создания зелёного топлива и химикатов в будущем.