Forskere udtænker en ny måde at producere brintbrændstof på

Et amerikansk-baseret team af forskere, herunder MIPT-forskere, har samlet en biologisk struktur i nanoskala, der er i stand til at producere brint fra vand ved hjælp af lys. De indsatte et lysfølsomt protein i nanodiscs - cirkulære fragmenter af cellemembran sammensat af et lipid-dobbeltlag - og forbedrede den resulterende struktur med partikler af titaniumdioxid, en fotokatalysator. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Professor Vladimir Chupin, som leder Laboratory of the Chemistry and Physics of Lipids ved MIPTs forskningscenter for molekylære mekanismer for aldring og aldersrelaterede sygdomme, siger, "Vores laboratorier arbejder med membranproteiner, især med nanodiske, er mest fokuseret på biofysiske og medicinske problemer. Imidlertid, den nylige fælles undersøgelse med vores amerikanske kolleger viser, at ved at samle biologiske og tekniske materialer, nanodiske kan bruges til at få brintbrændstof."

Brintbrændstof

Brint er en af ​​de reneste alternative energikilder. Når det brænder, det eneste produkt, der dannes, er vanddamp. Desuden, med 45 procent eller mere, effektiviteten af ​​brintbrændstof er meget større sammenlignet med mindre end 35 procent for benzin eller diesel. Selvom store bilproducenter, som Toyota, Honda, og BMW, producerer allerede brintdrevne biler, deres antal er beskedne. Brint er stadig dyrt at få, hovedsagelig på grund af det høje strømforbrug. Af denne grund, forskere søger måder at generere dette brændstof ved at udnytte andre energikilder.

Brint kan produceres fra vand ved hjælp af solenergi. Processen kræver specielle forbindelser kaldet fotokatalysatorer. Titandioxid er en af ​​de mest brugte. Det er næppe den mest effektive fotokatalysator, selvom, så forskere går meget op i at øge dens ydeevne ved at male den til nanostørrelse eller tilføje urenheder. Til det formål, forskerne ved Argonne National Laboratory i Illinois, OS., har vendt sig til biologi, at samle en nanostruktur lavet af titaniumdioxid og et membranprotein kaldet bacteriorhodopsin. Ved at forbedre hinandens præstationer, disse to lysfølsomme komponenter danner et nyt system, hvis kapacitet langt overstiger dets komponenter.

Bacteriorhodopsin er et lysfølsomt protein, der er en del af membranerne i nogle mikrobielle celler. Faktisk, der er en hel del af sådanne proteiner, men den, der blev brugt i denne undersøgelse, var taget fra Halobacterium salinarum. Den ene ende af proteinet stikker ud på ydersiden af ​​en celle, mens den anden ende er på indersiden. Sollys får bakteriorhodopsin til at pumpe protoner ud af cellen, som gør cellen i stand til at syntetisere energi i form af adenosintrifosfat. I øvrigt, den menneskelige krop producerer i alt omkring 70 kg ATP hver dag.

Forskere kan nu syntetisere liv kunstigt, uden biologiske celler involveret. Dermed, funktionelle membranproteiner kan opnås ved at bruge medier, der efterligner proteinernes naturlige miljø. Blandt sådanne medier, der er tilgængelige for videnskabsmænd, er nanodiske - membranfragmenter, der består af fosfolipider og er omkranset af to proteinmolekyler i en dobbeltbælteformation. Størrelsen af ​​en nanodisk afhænger af længden af ​​de to bæltelignende proteiner. Som et membranprotein, bacteriorhodopsin hører til i en cellemembran og er derfor helt hjemme i en nanodisk, som er en fantastisk struktur designet til at bevare den naturlige proteinstruktur. Nanodiske er blevet brugt til at studere membranproteinstrukturer, udvikle medicinske midler, og bliver nu genbrugt til fotokatalyse. Bistået af MIPT -materialeforskere, forskerne opnåede nanodiske 10 nanometer i diameter, med bacteriorhodopsin indlejret indeni.

De endte med brint

Holdet opløste nanodiske i vand, sammen med titandioxidpartikler. De tilføjede platin, fordi det gør fotokatalyse mere effektiv. Efterlad natten over i den blanding, nanoskiverne klæbede til de katalytiske partikler. Bacteriorhodopsin - protonpumpen - blev fordoblet som en antenne. Det fangede lys og overførte sin energi til titaniumdioxid, øge dens følsomhed over for lys. Ud over, bacteriorhodopsin udførte sin sædvanlige funktion med at translokere protoner, som blev reduceret, giver hydrogen takket være tilstedeværelsen af ​​platinkatalysatoren. Fordi det kræver elektroner at reducere protoner, forskerne tilføjede noget methanol til opløsningen for at tjene som elektrondonor. Blandingen blev udsat for grønt og hvidt lys, med omkring 74 gange mere brint produceret i sidstnævnte tilfælde. Gennemsnitlig, emissionen af ​​brint blev holdt ved en næsten konstant hastighed i mindst to til tre timer.

Selvom eksperimenter med en lignende nanostruktur er blevet udført før, de brugte bacteriorhodopsin i en naturlig cellemembran. Udskiftning af den med nanodiske, forskerne producerede lige så meget brint eller mere, og de krævede endda mindre bacteriorhodopsin for den samme mængde titaniumdioxid. Holdet har mistanke om, at dette kan tilskrives de kompakte og ensartede nanodiskes evne til at interagere mere jævnt med de katalytiske partikler. Selvom naturlig bacteriorhodopsin stadig er den billigere løsning, for nu, det er muligt, at udviklingen af ​​kunstige biosyntesemetoder snart vil gøre nanodiske til et mere gennemførligt alternativ.