Revoliucinis atradimas: dirbtinė fotosintezė gamins skystą kurą

Natūralios fotosintezės metu augalai Saulės energiją verčia gliukoze. Šio proceso metu yra panaudojamas vanduo ir anglies dvideginis. Naujasis dirbtinis procesas veiks panašiai: per cheminių manipuliacijų grandinę be jokio chlorofilo bus kuriamas skystas kuras.

„Mūsų tikslas yra iš CO₂ pertekliaus ir kitų tvarių šaltinių, kaip Saulės šviesa, gaminti suskystinamus angliavandenius. Skystas kuras yra idealus, nes jį transportuoti yra lengviau, saugiau ir ekonomiškiau nei dujas“, – sakė Ilinojaus universiteto Urbana-Šampeine (JAV) chemikas Prashantas Jainas.

Dirbtinės fotosintezės realizavimo dideliu mastu nauda būtų milžiniška: įgytume švarų, tvarų energijos šaltinį, kuris vieną dieną galėtų šildyti mūsų namus ir tapti mūsų automobilių kuru. Viskas, ko reikia – tai vykdyti panašias į augaluose vykstančias chemines reakcijas.

Šio tikslo jau ilgą laiką siekia daugybė mokslo laboratorijų visame pasaulyje: viena vertus, tam būtų naudojamas nesibaigiantis fotosintezės kuro – Saulės energijos – šaltinis. Kita vertus, jis padėtų sunaudoti pavojingą atmosferos teršalą – CO₂.

P.Jaino naujasis tyrimas yra vykdomas jo paties 2018 metais atlikto tyrimo pagrindu: pernai jis aiškinosi, ar aukso nanodaleles galima panaudoti kaip chlorofilo pakaitalą. Chlorofilas – žaliasis augalų pigmentas, kuris vykdant natūralią fotosintezę atlieka katalizatoriaus vaidmenį ir vykdo cheminę reakciją, kuri savaime negalėtų vykti.

„Mokslininkai, ieškodami galimybių Saulės energiją, anglies dvideginį ir vandenį paversti kuru, dažnai nusižiūrinėja nuo augalų“, – praėjusiais metais sakė chemikas.

Vykdant šiuos eksperimentus išaiškėjo, kad mažučiai auksiniai rutuliukai, kurių skersmuo yra matuojamas nanometrais, galėtų absorbuoti regimąją žalią šviesą bei pernešti šviesos sužadintus elektronus bei protonus.

Naujausiojo tyrimo metu buvo tobulinama ta pati metodika: anglies dvideginis buvo verčiamas sudėtingomis angliavandenilių grandinėmis – taip pat propanu ir metanu – kurių sintezė vyksta jonizuotą tirpalą su aukso nanodalelėmis apšviečiant Saulės šviesa.

„Taikant šį metodą aukso dalelių plazmoninis sužadinimas nanodalelės ir tirpalo sąlyčio vietoje sukuria aukšto krūvio aplinką, tinkamą CO₂ aktyvavimui. Jonizuotas tirpalas stabilizuoja šioje vietoje susidarančius krūvį turinčius tarpinius junginius, tokiu būdu palengvindamas daugiapakopes redukcijos reakcijas ir C-C jungčių susidarymą“, – aiškino chemikas.

Tokios sintezės metu gaunamas ne tik metanas bei propanas, bet ir etilenas, acetilenas ir propenas. – sudėtingesnės struktūros junginiai, kurie vieną dieną gali tapti naudinga energijos laikymo priemone kuro elementuose.

„Skysto kuro junginiuose, sudarytuose iš ilgesnių molekulių grandinių, yra daugiau tarpmolekulinių jungčių. O tai reiškia, kad juose yra ir didesnis energijos tankis“, – sakė P.Jainas.

Bet, kaip ir bet kurio kito dirbtinės fotosintezės metodo atveju, šio proveržio praktinės naudos pagrindas yra metodo efektyvumas ir galimybės jį realizuoti pramoniniais mastais.

Šiuo požiūriu mokslininkai pripažįsta, kad vis dar reikia tobulinti aukso nanodalelių gebėjimą katalizuoti reikiamas chemines reakcijas, tirti, kaip šio metodo potencialą išplėsti iki pramoninių mastų.

„Dar laukia ilgas kelias. Manau, kad iki praktiškai įgyvendinamos ir ekonomiškai naudingos CO₂ sekvestravimo, CO₂ fiksavimo, kuro suformavimo technologijos išvystymo prireiks bent dešimties metų. Tačiau bet kokios įžvalgos, susijusios su šiuo procesu, didina spartą, kuria gali judėti visa šiuos tyrimus vykdančių mokslininkų bendruomenė“, – tyrimo autorius sakė 2018 metais.

Naujausio tyrimo ataskaitą publikavo prestižinis žurnalas „Nature Communications“.