Ученые Национальной лаборатории Лоуренса (Berkeley Lab) продемонстрировали метод, смоделированный на основе метаболического процесса, для преобразования углекислого газа (CO2) в жидкий ацетат, ингредиент для «жидкого солнечного света» или солнечного топлива, посредством искусственного фотосинтеза.

Новый подход, о котором сообщается в журнале Nature Catalysis, может помочь в продвижении безуглеродных альтернатив ископаемому топливу, связанных с глобальным потеплением и изменением климата. Работа - первая демонстрация устройства, которое имитирует естественный синтез ацетата этими бактериями из электронов и CO2.

На протяжении десятилетий исследователи знали, что метаболический путь некоторых бактерий помогает переваривать электроны и СО2 с образованием ацетата — реакции, управляемой электронами. Этот путь разбивает молекулы CO2 на две «асимметричные» химические группы: карбонильную группу (CO) или метильную группу (CH3). Ферменты в этом пути реакции атомов углерода в CO и CH3 связыватюся или «спариватюся». Затем запускается другая каталитическая реакция, в результате которой в качестве конечного продукта образуется ацетат.

Исследователи в области искусственного фотосинтеза хотели разработать устройства, которые имитируют химию пути, называемого асимметричным углерод-углеродным соединением, но найти синтетические электрокатализаторы было непросто. Исследователи предположили, что CO будет прилипать к поверхности меди, вызывая асимметричное соединение групп CO и CH3 с образованием ацетата. В экспериментах использовали меченый изотопом CH3I для отслеживания пути реакции и конечных продуктов.

Химические аналитические эксперименты, проведенные в лаборатории Янга в Калифорнийском университете в Беркли, показали, что соединение меди с карбонильными и метильными группами дает не только ацетат, но и другие жидкости, включая этанол и ацетон. Изотопное отслеживание позволило исследователям подтвердить, что ацетат образовался в результате соединения CO и CH3. В другом эксперименте исследователи синтезировали ультратонкий материал из раствора наночастиц меди и серебра, каждая из которых диаметром 7 нанометров (миллиардных долей метра!). Затем исследователи разработали еще одну модель устройства, на этот раз покрытую тонким слоем наночастиц. Электрическое смещение вызвало реакцию, заставившую наночастицы серебра преобразовать CO2 в карбонильную группу, в то время как наночастицы меди преобразовали CO2 в метильную группу. Последующие анализы в лаборатории Янга показали, что другая реакция между CO и CH3 синтезировала жидкие продукты, такие как ацетат.

С помощью экспериментов с электронной микроскопией в Molecular Foundry исследователи узнали, что наночастицы меди и серебра состоят в тесном контакте друг с другом, образуя тандемные союзы, и что наночастицы меди стали каталитическим центром для асимметричного соединения. Эти медно-серебряные наночастицы соединены со светопоглощающими кремниевыми нанопроволоками в будущей конструкции искусственного фотосинтеза.

«Новое исследование демонстрирует синтетический электрокатализатор — наночастицы меди и серебра — который четко имитирует то, что делают бактерии для создания жидких продуктов из CO2», — сказал Янг.

В исследовании участвовали исследователи из лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли. Эта работа поддержана Управлением науки Министерства США.