Людство наблизилося до отримання чистої енергії з сонячного світла

Американські вчені зімітували процес фотосинтезу за допомогою штучного каталізатора на основі кобальту і виявили, що розщеплення води на кисень і водень відбувається так само, як і у рослин. Результати, опубліковані в журналі Chem Catalysis, наближають людство до створення ефективних способів отримання чистої енергії з сонячного світла. Коротко про це розповідається в прес-релізі на TechXplore.com.

Для фотосинтезу рослини використовують хлоропласти — клітинні органели, в яких присутні комплекси білків та інших молекул, які здійснюють конвертацію енергії сонячного світла в енергію хімічних зв’язків. Одним з головних комплексів є фотосистема II, яка поглинає кванти світла через фотохімічні реакції і формує сильний окислювач — подвійну (димерную) молекулу хлорофілу (P680), яка в збудженому стані сприяє розщепленню води на кисень і водень. Безпосереднє окислення води здійснює марганцевий комплекс — складна молекула з атомів марганцю, кисню і кальцію (Mn4CaO).

Найбільш структурно і функціонально близькими до марганцевих комплексу фотосистеми II є каталізатори окислення води (WOC) на основі кобальту — Co4O4. Подальше збільшення ефективності WOC стикається з проблемою: реакція розщеплення води настільки складна, що вчені досі не знають в точності, як вона протікає. Відомо, що перед виділенням молекулярного кисню (О=О) в комплексі виникає зв’язок OO. Щоб зрозуміти, як це відбувається, дослідники використовували рентгенівську абсорбційну спектроскопію і XAFS-спектроскопію комплексу.

У фотосистемі II один з атомів марганцю зв’язується з молекулою води, в результаті чого виникає ключовий проміжний фрагмент Mn=O. Друга молекула води виробляє нуклеофільність атаку на цей фрагмент, що і призводить до формування O=O. Вважається, що в кобальтовому WOC повинен виникати схожий фрагмент Co=O, однак цього раніше не спостерігалося. Вченим вдалося підтвердити, що Co=O дійсно утворюється і активує воду через нуклеофільність атаку, як це відбувається у рослин.

Результати дослідження доводять, що кобальтовий комплекс діє аналогічно марганцевому комплексу, що підсилює розуміння механізмів окислення води для обох систем. Як зазначають автори, їх робота є основою для раціонального проектування багатоядерних каталізаторів окислення води на основі 3d-перехідних металів.

Хоча ефективність природного фотосинтезу досить низька і зазвичай становить близько одного відсотка (багато енергії йде на підтримку дихання рослин), штучні аналоги можуть підвищити це значення до 22 відсотків і вище. Що стосується поглинання атмосферного вуглекислого газу, то фотосинтезуючі організми вловлюють його в таких обсягах, які штучним каталізаторам поки не доступні.