Уже много лет учёные бьются над проблемой экономически рентабельного искусственного фотосинтеза. Цель в том, чтобы эффективно использовать бесплатную энергию солнечного света для проведения химических реакций. До настоящего времени удалось использовать с этой целью высокоэнергетические ультрафиолетовые лучи, но они составляют всего 4% спектра солнечного света. Для других частей спектра пока найдено лишь несколько эффективных материалов, но они требуют дорогостоящих добавок: платины ($31 за грамм), рения ($1000 за грамм) или иридия ($35 за грамм).

Профессор химии Фернандо Урибе-Ромо (Fernando Uribe-Romo) из Университета Центральной Флориды со своими студентами разработал новый синтетический материал, который преобразует CO₂ в топливо под воздействием фотонов света. Такой материал решает сразу две проблемы: снижает количество парникового газа и даёт «экологически чистое» топливо. И самое главное, что для его изготовления не нужны драгоценные металлы! Здесь используется титан, который продаётся килограммами — он почти в тысячу раз дешевле, чем платина или иридий.

Синтетический материал представляет собой металл-органическую каркасную структуру (metal–organic framework, MOF). Кстати, похожие MOF из Zr₆O₄(OH)₄(стеарилфумарат)₆] используются для конденсации воды из воздуха, тоже при помощи одного лишь солнечного света. Представьте, даже в самой сухой пустыне вы ставите на улицу пустую бутылку — и она сама наполняется водой.

На иллюстрации внизу показана кристаллическая структура кристалла металл-органической структуры MOF MIL-125 для искусственного фотосинтеза.



В данном случае металл-органические структуры тоже используют фотоны света для энергии, но на выходе производят безобидные органические вещества — примерно так же, как растения производят для себя еду и строительный материал в процессе естественного фотосинтеза. Сбор солнечной энергии осуществляют молекулы под названием N-алкил-2-аминотерефталаты. Авторы научной работы утверждают, что молекулы можно видоизменить для реакции на конкретные участки спектра. В данном случае использовалась реакция на синий цвет. При испытании материал облучали синими светодиодами.


Фотореактор. Фото: Университет Центральной Флориды

В своеобразный «фотореактор» с мощной светодиодной подсветкой закачивали углекислый газ. В результате фотосинтеза в MOF углекислый газ преобразовался в формиаты и формамиды. Формиаты — соли муравьиной кислоты, а формамиды — амиды муравьиной кислоты. Это своеобразное солнечное топливо.

Фернандо Урибе-Ромо собирается продолжить исследования: он хочет изучить эффективность искусственного фотосинтеза на разных длинах волн, а также при большей концентрации углекислого газа, где эффективность фотосинтеза должна вырасти. Профессор говорит, что если процесс будет работать эффективно, то этот материал поможет в снижении уровня парниковых газов в атмосфере и сгодится для чистого способа производства топлива. «Эта работа является прорывом, — говорит автор. — Изготовление материалов для поглощения определённого спектра света очень трудно с научной точки зрения, но с социальной точки зрения мы помогаем развивать технологию, которая может снизить уровень парниковых газов».


Профессор Фернандо Урибе-Ромо. Фото: Университет Центральной Флориды

Может, в будущем начнут строить энергостанции нового типа — целые заводы, которые начнут в больших количествах высасывать углекислый газ из атмосферы и производить топливо. За недостаток CO₂ можно не волноваться — восполнить его чрезвычайно просто, так что зелёным растениям на Земле всегда хватит материала для жизни.


Слева — изотермы абсорбции CO₂ (273 K), справа — дифференциал энтальпии абсорбции

Профессор даже представляет, что в будущем люди станут покрывать крыши домов таким металл-органическим материалом, тем самым производя энергию для хозяйства и очищая воздух во дворе.

Научная работа опубликована 7 апреля 2017 года в журнале Journal of Materials Chemistry A (doi:10.1039/C7TA00437K, pdf).