Forskere udnytter vira til at spalte vand:Et afgørende skridt i retning af at omdanne vand til brintbrændstof

(PhysOrg.com) - Et hold af MIT-forskere har fundet en ny måde at efterligne den proces, hvorved planter bruger sollysets kraft til at spalte vand og lave kemisk brændstof til at drive deres vækst. I dette tilfælde, holdet brugte en modificeret virus som en slags biologisk stillads, der kan samle de komponenter i nanoskala, der er nødvendige for at opdele et vandmolekyle i brint- og oxygenatomer.

Spaltning af vand er en måde at løse det grundlæggende problem med solenergi:Den er kun tilgængelig, når solen skinner. Ved at bruge sollys til at lave brint fra vand, brinten kan derefter lagres og bruges til enhver tid til at generere elektricitet ved hjælp af en brændselscelle, eller at lave flydende brændstoffer (eller bruges direkte) til biler og lastbiler.

Andre forskere har lavet systemer, der bruger elektricitet, som kan leveres af solpaneler, at spalte vandmolekyler, men det nye biologisk baserede system springer de mellemliggende trin over og bruger sollys til at drive reaktionen direkte. Fremskridtet er beskrevet i et papir offentliggjort den 11. april i Natur nanoteknologi .

Holdet, ledet af Angela Belcher, Germeshausen professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og biologisk teknik, konstrueret en fælles, harmløs bakterievirus kaldet M13, så den ville tiltrække og binde med molekyler af en katalysator (holdet brugte iridiumoxid) og et biologisk pigment (zinkporfyriner). Viraene blev ledningslignende enheder, der meget effektivt kunne spalte ilten fra vandmolekyler.

Over tid, imidlertid, virustrådene ville klumpe sammen og miste deres effektivitet, så forskerne tilføjede et ekstra trin:indkapsling af dem i en mikrogelmatrix, så de bevarede deres ensartede arrangement og beholdt deres stabilitet og effektivitet.

Mens brint opnået fra vand er den gas, der ville blive brugt som brændstof, spaltningen af ​​ilt fra vand er den mere teknisk udfordrende "halvreaktion" i processen, Belcher forklarer, så hendes team fokuserede på denne del. Planter og cyanobakterier (også kaldet blågrønalger), hun siger, "har udviklet højt organiserede fotosyntetiske systemer til effektiv oxidation af vand." Andre forskere har forsøgt at bruge de fotosyntetiske dele af planter direkte til at udnytte sollys, men disse materialer kan have problemer med strukturel stabilitet.

Belcher besluttede, at i stedet for at låne anlægskomponenter, hun ville låne deres metoder. I planteceller, naturlige pigmenter bruges til at absorbere sollys, mens katalysatorer så fremmer vandspaltningsreaktionen. Det er processen, Belcher og hendes team, herunder doktorand Yoon Sung Nam, hovedforfatteren af ​​det nye papir, besluttede at efterligne.

I teamets system, vira fungerer simpelthen som en slags stillads, hvilket får pigmenterne og katalysatorerne til at passe med den rigtige form for mellemrum for at udløse vandspaltningsreaktionen. Pigmenternes rolle er "at fungere som en antenne til at fange lyset, "Belcher forklarer, "og derefter overføre energien ned langs virussen, som en ledning. Virusset er en meget effektiv høster af lys, med disse porphyriner knyttet.

"Vi bruger komponenter, folk har brugt før, " tilføjer hun, "men vi bruger biologi til at organisere dem for os, så du får bedre effektivitet."

Brug af virussen til at få systemet til at samle sig selv forbedrer effektiviteten af ​​iltproduktionen fire gange, siger Nam. Forskerne håber at finde et lignende biologisk baseret system til at udføre den anden halvdel af processen, produktionen af ​​brint. I øjeblikket, brintatomerne fra vandet opdeles i deres komponentprotoner og elektroner; en anden del af systemet, nu under udvikling, ville kombinere disse tilbage til brintatomer og molekyler. Teamet arbejder også på at finde en mere almindelig, mindre dyrt materiale til katalysatoren, at erstatte det relativt sjældne og kostbare iridium, der blev brugt i denne proof-of-concept undersøgelse.

Thomas Mallouk, DuPont professor i materialekemi og fysik ved Pennsylvania State University, som ikke var involveret i dette arbejde, siger, "Dette er et ekstremt smart stykke arbejde, der adresserer et af de sværeste problemer inden for kunstig fotosyntese, nemlig organiseringen af ​​komponenterne i nanoskala for at kontrollere elektronoverførselshastigheder."

Han tilføjer:"Der er en skræmmende kombination af problemer, der skal løses, før dette eller et hvilket som helst andet kunstigt fotosyntetisk system faktisk kan være nyttigt til energiomdannelse." At være omkostningskonkurrencedygtig med andre tilgange til solenergi, han siger, systemet skal være mindst 10 gange mere effektivt end naturlig fotosyntese, være i stand til at gentage reaktionen en milliard gange, og bruge billigere materialer. "Dette sker næppe i den nærmeste fremtid, siger han. Ikke desto mindre, designideen illustreret i dette papir kunne i sidste ende hjælpe med en vigtig brik i puslespillet."

Belcher vil ikke engang spekulere i, hvor lang tid det kan tage at udvikle dette til et kommercielt produkt. men hun siger, at hun inden for to år forventer at have en prototype enhed, der kan udføre hele processen med at spalte vand til ilt og brint, ved hjælp af et selvbærende og holdbart system.