Благодаря синтезу и объединению биологических и технических материалов ученым удалось получить водородное топливо.
Исследователи из США при участии ученых из МФТИ собрали нанобиоконструкцию, которая под действием света производит водород из воды. Специалисты синтезировали нанодиски — круглые кусочки мембраны, состоящие из двойного слоя липидов, — со встроенным светочувствительным белком и соединили их с частицами фотокатализатора оксида титана TiO2. Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.
Владимир Чупин, профессор МФТИ, доктор химических наук и руководитель лаборатории химии и физики липидов Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ, отмечает: «Наши исследования мембранных белков, в частности нанодисков, традиционно направлены на решение биофизических и медицинских задач. Однако недавнее сотрудничество с американскими коллегами продемонстрировало, что комбинация биологических и технических материалов позволяет использовать нанодиски для производства водородного топлива».
Водородное топливо
Водород считается одним из наиболее перспективных альтернативных источников энергии. Его сгорание приводит к образованию водяного пара, что делает его экологически безопасным. Также стоит отметить, что эффективность водородного топлива (>45%) значительно превышает показатели бензинового или дизельного (<35%)). Крупнейшие производители автомобилей, включая Toyota, Honda и BMW, уже выпускают водородные автомобили, хотя пока в небольших объемах. Однако производство водорода по-прежнему требует значительных затрат, в частности, затрат электроэнергии. В связи с этим ученые разрабатывают методы получения водорода с использованием альтернативных источников энергии.
Берем от природы
Водород из воды может быть получен с использованием солнечной энергии. Этот процесс требует наличия фотокатализатора, чаще всего – TiO2. Однако, сам по себе этот материал не обладает достаточной эффективностью, поэтому исследователи разрабатывают различные методы повышения его активности, такие как добавление примесей и измельчение до наночастиц. В Аргоннской национальной лаборатории (США) ученые вдохновились биологией и создали наноструктуру, объединив TiO2 и белок бактериородопсин. Эти светочувствительные компоненты взаимодействуют, усиливая друг друга и формируя новую систему, чья функциональность значительно превышает сумму свойств ее составляющих.
Бактериородопсин — это светочувствительный белок, расположенный в мембранах определенных бактерий. (Существует множество подобных белков, в качестве примера здесь используется белок бактерии Halobacterium salinarium). Одна часть белка находится вне клетки, а другая — внутри. Под воздействием солнечного света бактериородопсин начинает переносить протоны из клетки в окружающую среду, что позволяет бактериальной клетке производить энергию в форме АТФ. Следует отметить, что человек ежедневно синтезирует примерно 70 кг АТФ.
Нанодиски
Современные технологии открывают возможность создания жизни «in vitro», исключая необходимость использования живых клеток. Для синтеза мембранных белков в лабораторных условиях применяются различные мембрано-моделирующие среды, включая нанодиски. Нанодиск представляет собой фрагмент мембраны, образованный фосфолипидами и стабилизированный двумя молекулами специфического белка. Размер диска определяется длиной этих белковых структур. Мембранный белок, например бактериородопсин, будет функционировать в нанодиске подобно естественной мембране, сохраняя свою исходную структуру. Эти уникальные конструкции используются для изучения структуры мембранных белков, изначально эти материалы использовались для создания лекарственных препаратов, однако сейчас их применяют в фотокатализе. Совместно с экспертами из МФТИ ученым удалось создать нанодиски диаметром 10 нанометров, содержащие встроенный бактериородопсин.
Получился водород
Нанодиски смешивали с частицами TiO2, содержащими платиновые вкрапления, в водном растворе для повышения эффективности фотокатализа. В течение одной ночи они самостоятельно соединялись. Бактериородопсин в этой ситуации выполнял несколько ролей. Прежде всего, он действовал как антенна, улавливающая свет и передающая энергию частицам TiO2, что увеличивало их фоточувствительность. Кроме того, он осуществлял перенос протонов, которые, благодаря платиновому катализатору, восстанавливались до водорода. Поскольку процесс восстановления требует электронов, в воду добавили небольшое количество метилового спирта, выступающего в качестве их источника. Сначала смесь облучали зеленым светом, затем – белым. При использовании белого света количество полученного водорода увеличилось приблизительно в 74 раза. Почти постоянное выделение водорода наблюдалось не менее 2–3 часа.
Ранее уже проводились эксперименты с аналогичной конструкцией, однако в них использовался природный бактериородопсин, встроенный в природную мембрану. Применение нанодисков стало новым подходом, и результаты показали, что при их использовании выделяется не менее, а иногда и больше водорода. При этом для достижения того же количества частиц TiO2 требуется меньшее количество бактериородопсина. Ученые считают, что это объясняется строгой однородностью и компактностью нанодисков, что способствует формированию большего числа взаимодействий. Несмотря на то, что в настоящее время использование природного бактериородопсина является более экономичным, перспективные методы синтеза биологических компонентов могут в будущем сделать использование нанодисков более эффективным.