Разработано экологически чистое топливо на основе диоксида углерода

Исследователи из Кембриджского университета ранее уже доказывали, что биологические катализаторы или ферменты могут производить топливо с использованием возобновляемых источников энергии, однако — с низкой эффективностью.

Их последнее исследование продемонстрировало повышенную эффективность производства топлива — как минимум, в 18 раз в лабораторных условиях. Это доказало, что загрязняющие выбросы углерода могут быть эффективно превращены в экологически чистое топливо без потерь энергии.

Большинство методов преобразования диоксида углерода (CO 2) в топливо производят нежелательные побочные продукты — например такие, как водород. Ученые могут изменить химические условия, чтобы свести к минимуму производство водорода —тно это, в свою очередь, снижает производительность преобразования CO 2.

Доказательство концепции, разработанной Кембриджмским университетом, основано на ферментах, выделенных из бактерий для запуска химических реакций, которые превращают CO 2 в топливо. Этот процесс называется электролизом. Ферменты, как правило, более эффективны, чем другие катализаторы — такие как золото — но они очень чувствительны к местной химической среде. Если местная среда не совсем подходящая для них, то ферменты распадаются, и химические реакции идут медленно.

Исследователи из Кембриджа, работая с командой из Университета Нова-де-Лиссабон в Португалии, разработали метод повышения эффективности электролиза путем точной настройки условий раствора для изменения локальной среды ферментов.

«Ферменты эволюционировали в течение миллионов лет — чтобы быть чрезвычайно эффективными и избирательными — и они отлично подходят для производства топлива, потому что у них нет никаких нежелательных побочных продуктов», — рассказала доктор Эстер Эдвардс Мур из Кембриджского химического факультета имени Юсуфа Хамида. автор статьи PNAS .

«Однако чувствительность к ферментам связана с другим набором проблем. Наш метод учитывает эту чувствительность, так что местная среда регулируется в соответствии с идеальными условиями работы фермента», — добавила ученый.

Исследователи использовали вычислительные методы для разработки системы для улучшения электролиза CO 2. При использовании системы на основе ферментов, уровень производства топлива увеличился в 18 раз по сравнению с текущим эталонным решением.

Чтобы еще больше улучшить местную окружающую среду, команда показала, как два фермента могут работать вместе: один, при этом, производит топливо, а другой — контролирует окружающую среду. Исследователи обнаружили, что добавление другого фермента ускорило реакции, повысив эффективность и уменьшив нежелательные побочные продукты.

«Мы получили именно то топливо, которое хотел — без побочных продуктов, и с минимальными потерями энергии, производя чистое топливо с максимальной эффективностью», — отметил доктор Сэм Кобб, первый автор статьи Nature Chemistry .

«Электролиз играет большую роль в сокращении выбросов углерода. Вместо того, чтобы улавливать и хранить CO 2 , что невероятно энергоемко, мы продемонстрировали новую концепцию улавливания углерода и получения из него чего-то полезного энергоэффективным способом», — объяснил суть исследования профессор Эрвин Рейснер, руководивший исследованием.

Ученые рассказали, что секрет более эффективного электролиза CO 2 кроется в катализаторах. В последние годы были достигнуты большие успехи в разработке синтетических катализаторов, однако, они все еще не дотягивают до ферментов, используемых в этой работе.

«Как только вам удастся сделать более качественные катализаторы, множество проблем, связанных с электролизом CO 2, просто исчезнут. Мы демонстрируем мировому научному сообществу, что как только мы сможем производить катализаторы будущего, мы сможем покончить со многими компромиссами, на которые нам приходится идти сегодня», — отметил Кобб.

«Как только мы разработали концепцию, улучшение производительности было поразительным. Я боялся, что мы потратим годы, пытаясь понять, что происходит на молекулярном уровне, но как только мы по-настоящему оценили влияние местной среды, все стало развиваться очень быстро. В будущем, мы хотели бы использовать все то, что мы узнали, для решения некоторых сложных проблем, с которыми борются современные катализаторы — например, использование CO 2 прямо из воздуха. Это условия, при которых свойства ферментов как идеальных катализаторов действительно может блистать», —отметил ученый.