Uniwersytet w Liverpoolu stworzył hybrydowy nanoreaktor, który wykorzystuje światło słoneczne do wydajnej produkcji wodoru, stanowiąc zrównoważoną i opłacalną alternatywę dla tradycyjnych fotokatalizatorów.
Uniwersytet w Liverpoolu ogłosił poważny przełom w biologii inżynierskiej i czystej energii. Naukowcy opracowali przełomowy hybrydowy nanoreaktor zasilany światłem, który łączy naturalną wydajność procesów biologicznych z precyzją konstrukcji syntetycznej, aby wytwarzać wodór – czyste i odnawialne źródło energii.
Szczegółowe w Kataliza ACSbadanie wprowadza innowacyjne rozwiązanie długotrwałego wyzwania w zakresie wykorzystania energii słonecznej do produkcji paliw. Podczas gdy natura fotosynteza systemy doskonale wykorzystują światło słoneczne, systemy sztuczne w przeszłości zawodziły. To nowe podejście do sztucznej fotokatalizy stanowi znaczący krok naprzód w wypełnianiu tej luki w wydajności.
Projekt nanoreaktora hybrydowego
Nanoreaktor hybrydowy jest produktem nowatorskiej integracji materiałów biologicznych i syntetycznych. Łączy w sobie rekombinowane powłoki α-karboksysomów – naturalne mikroprzedziały bakterii – z mikroporowatym półprzewodnikiem organicznym. Te otoczki karboksysomowe chronią wrażliwe enzymy wodorazy, które są bardzo skuteczne w wytwarzaniu wodoru, ale są podatne na dezaktywację przez tlen. Kapsułkowanie tych enzymów zapewnia trwałą aktywność i wydajność.
Profesor Luning Liu, kierownik katedry bioenergetyki i bioinżynierii mikrobiologicznej na Uniwersytecie w Liverpoolu, współpracował z profesorem Andym Cooperem z Wydziału Chemii i dyrektorem uniwersyteckiej fabryki innowacji materiałowych (MIF). Ich zespoły wspólnie zsyntetyzowały mikroporowaty półprzewodnik organiczny, który działa jak antena wychwytująca światło. Ten półprzewodnik pochłania światło widzialne i przenosi powstałe ekscytony do biokatalizatora, napędzając produkcję wodoru.
Spostrzeżenia badaczy
Profesor Luning Liu powiedział: „Naśladując skomplikowane struktury i funkcje naturalnej fotosyntezy, stworzyliśmy hybrydowy nanoreaktor, który łączy w sobie szeroką absorpcję światła i wydajność wytwarzania ekscytonów materiałów syntetycznych z katalityczną mocą enzymów biologicznych. Ta synergia umożliwia produkcję wodoru przy użyciu światła jako jedynego źródła energii”.
Te najnowsze prace mają istotne implikacje i mogą potencjalnie wyeliminować zależność od drogich metali szlachetnych, takich jak platyna, oferując opłacalną alternatywę dla tradycyjnych fotokatalizatorów syntetycznych przy jednoczesnym osiągnięciu porównywalnej wydajności. Ten przełom nie tylko toruje drogę do zrównoważonej produkcji wodoru, ale także kryje potencjał w zakresie szerszych zastosowań biotechnologicznych.
Profesor Andy Cooper, dyrektor Fabryki Innowacji Materiałowych, podsumował: „Współpraca między wydziałami uniwersyteckimi nad osiągnięciem takich wyników była fantastyczna. Ekscytujące odkrycia badania otwierają drzwi do wytwarzania nanoreaktorów biomimetycznych o szerokim zastosowaniu w czystej energii i inżynierii enzymatycznej, przyczyniając się do przyszłości neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla”.
Odniesienie: „Hybrydowy nanoreaktor napędzany światłem wykorzystujący synergię karboksysomów i struktur organicznych do wydajnej produkcji wodoru”, autorzy: Jing Yang, Qiuyao Jiang, Yu Chen, Quan Wen, Xingwu Ge, Qiang Zhu, Wei Zhao, Oluwatobi Adegbite, Haofan Yang, Liang Luo, Hang Qu, Veronica Del-Angel-Hernandez, Rob Clowes, Jun Gao, Marc A. Little, Andrew I. Cooper i Lu-Ning Liu, 6 grudnia 2024 r., Kataliza ACS.
DOI: 10.1021/acscatal.4c03672
