809
Дослідники Argonne National Laboratory створили шаруватий матеріал, який поєднує неорганічний напівпровідник із біологічною світлозбиральною мембраною. Під освітленням система використовує воду й кисень із повітря для виробництва hydrogen peroxide — важливої промислової та побутової хімічної речовини.
Сьогодні перекис водню виробляють енергоємними промисловими процесами. Нова робота перевіряє nanoarchitectonics — підхід, де окремі нанорозмірні компоненти збирають у функціональну архітектуру з точно спроєктованими інтерфейсами.
Основою стали nanosheets bismuth oxychloride завтовшки близько 200 нанометрів і фрагменти purple membrane, отримані з salt-loving archaea. Біологічна мембрана містить природний світлочутливий механізм і працює як мініатюрний сонячний модуль.
Що показало дослідження
Після поглинання світла мембрана запускає перенесення протонів та електронів на межі з напівпровідником. Саме правильно спроєктований інтерфейс направляє заряд так, щоб oxygen і water перетворювалися на H₂O₂.
Гібрид виробляв понад у п’ять разів більше перекису водню, ніж bismuth oxychloride без біологічного компонента.
Система працювала за навколишніх умов і використовувала доступні матеріали. Паралельно вона могла окиснювати ethylene glycol і створювати більш цінні продукти, включно з glycolaldehyde, glyoxal та formic acid.
Автори наголошують: простого змішування живого компонента й каталізатора недостатньо. Вирішальним є дизайн межі між ними, який керує рухом заряду. Саме такий принцип вони планують поширювати на інші реакції — виробництво паливних компонентів, добрив та інших хімічних речовин.
Purple membrane походить від архей, які природно живуть у дуже солоних середовищах. Її світлочутливий білок bacteriorhodopsin перетворює енергію фотонів на спрямоване перенесення протонів — принцип, який команда використала як біологічний компонент штучної фотокаталітичної системи.
Bismuth oxychloride виконує іншу частину роботи: як напівпровідник він допомагає розділяти й переносити заряд до реакційних центрів. Найбільший ефект з’являється саме на межі між двома матеріалами.
Дослідники детально вивчали напрямок руху електронів і протонів, щоб переконатися, що підвищена продуктивність не є просто сумою двох окремих компонентів. Гібрид створює новий маршрут перенесення заряду, якого немає в кожній частині окремо.
Перекис водню цікавий як модельний продукт ще й тому, що його традиційне промислове виробництво централізоване. Світлокерована система з води й кисню теоретично відкриває шлях до локального виробництва невеликих кількостей речовини без складного транспортування.
