Ученые из России и США разработали новый катализатор на основе наночастиц, белков бактерий и синтетических аналогов мембраны их клеток, который необычно эффективно использует энергию света для расщепления воды на водород и кислород, говорится в статье, опубликованной в журнале ACS Nano.

«Наши лаборатории, которые занимаются мембранными белками, в частности нанодисками, в основном ориентированы на биофизические, медицинские проблемы. Но вот недавняя работа с нашими американскими коллегами показывает, что если соединить биологические и технические материалы, нанодиски можно использовать и для выделения водородного топлива», — рассказывает профессор Владимир Чупин из Московского физико-технического института (МФТИ), чьи слова передает пресс-служба вуза.
За последние годы физики создали множество расщепителей воды, которые разлагают молекулы воды на кислород и водород при помощи света или электрического тока и наиболее удачные версии которых только приближаются к коммерческой рентабельности. Кроме того, подобные катализаторы в большинстве случаев или разрушаются, или загрязняются при расщеплении воды, что вынуждает ученых разрабатывать далеко не бесплатные методики их регенерации.

Чупин и его коллеги нашли необычный способ повысить эффективность работы подобных катализаторов, объединив их с двумя компонентами живого мира — аналогами мембран бактерий, которые сегодня разрабатываются в МФТИ для изучения устройства белков, и белками-родопсинами. Микробы вида Halobacterium salinarum используют эти молекулы в качестве «глаз» и преобразователя энергии света в клеточную энерговалюту, молекулы АТФ.

Как показали эксперименты, которые в недавнем прошлом проводили американские коллеги российских ученых, сочетание этих белков с наночастицами оксида титана, одного из самых эффективных расщепителей воды, заметно повышает их продуктивность. Проблема заключалась в том, что и родопсины, и наночастицы должны располагаться относительно друг друга в определенном порядке, чего крайне сложно добиться, просто перемешав молекулы белков и частички катализатора.

Эту проблему, как оказалось, можно решить при помощи нанодисков, созданных учеными из МФТИ. Как поясняет Чупин, молекулы родопсинов встроены в них уже в «правильном» виде, что облегчает задачу их соединения с частицами двуокиси титана и платины, дополнительно повышающей КПД катализатора.

Наблюдения за работой подобного биоустройства показали, что бактериальные белки не только помогали наночастицам улавливать энергию света и использовать ее для расщепления молекул воды, но и участвовали в переносе ионов внутри раствора, ускоряя процесс производства водорода.
Главным недостатком этой системы является то, что для ее работы нужен источник свободных электронов. Пока в этой роли выступает метиловый спирт, который можно производить из полностью натуральных источников, не используя ископаемые углеводороды.

В будущем, надеются исследователи, все компоненты этого расщепителя воды, в том числе и наночастицы, можно будет разместить внутри синтетического организма или биоконструкции, что повысит его эффективность и сделает производство «зеленого» топлива экономически выгодным.