Wodorowe biopaliwo z energii słonecznej
Światło słoneczne może stanowić potencjalne źródło energii do wytwarzania wodoru poprzez rozszczepienie wody na elementy składowe w drodze sztucznej fotosyntezy. Europejscy naukowcy wykorzystali nowe podejście polegające na połączeniu nanomateriałów półprzewodnikowych z katalitycznie aktywnymi enzymami biologicznymi w celu redukcji protonów do wodoru w wodnym elektrolicie wystawionym na działanie promieni słonecznych. Pierwszym celem projektu 1DH2OP (Coupling of one-dimensional TiO2 with hydrogenase: simultaneous visible-light driven H2 production and treatment of an organic pollutant) było rozpowszechnienie wykorzystania materiałów zawierających enzymy i elektrody. Badania opierały się na dwóch enzymach: fotosystemie II (PSII) do utleniania wody i hydrogenazie do redukcji protonów. Drugim celem projektu było opracowanie strategii unieruchamiania hydrogenazy na fotokatodzie p-Si do wytwarzania wodoru, co umożliwiło stworzenie tandemowego ogniwa fotoelektrochemicznego opartego na enzymie. Pozwoliło to na opracowanie samodzielnego systemu fotokatalitycznego do rozdzielania cząsteczek wody za pomocą promieni słonecznych. Ponadto naukowcy zbadali dwa zachodzące jednocześnie procesy wytwarzania wodoru (H2) i redukcji dwutlenku węgla (CO2) za pomocą bakteryjnego kompleksu hydrogenlyazy mrówczanowej. Wynikiem tych działań było stworzenie nowych sztucznych systemów biomimetycznych do zastosowań w dziedzinie bioenergetyki. Partnerzy projektu zbudowali biohybrydowe ogniwo fotoelektrochemiczne oparte na enzymach i fotokatody oparte na enzymach, a także zaprojektowali procesy enzymatyczne umożliwiające jednoczesne wytwarzanie H2 i redukcję CO2. Wykazało to wszechstronność zastosowania enzymów biologicznych w połączeniu z materiałami nieorganicznymi i półprzewodnikowymi. Bezpośrednie połączenie (PSII) z hydrogenazą okazało się skutecznym sposobem na fotobiologiczne wytwarzanie H2. Oczekuje się, że dalszy rozwój interfejsu fotoanody PSII doprowadzi do zwiększenia wydajności przekształcania energii świetlnej na produkt. Wykorzystano dwutlenek tytanu (TiO2) jako warstwę ochronną i warstwę międzyfazową w celu unieruchomienia hydrogenazy. Zapewniono również skuteczną platformę do łączenia enzymu z półprzewodnikiem typu p w celu wywołania kontrolowanej światłem redukcji protonów w reakcjach katalitycznych. Można wprowadzić dodatkowe ulepszenia w warstwie międzyfazowej poprzez nałożenie cienkiej warstwy TiO2 przy użyciu metody atomowego osadzania warstw. Prace prowadzone przez zespół projektu 1DH2OP na hydrogenlyazie mrówczanowej pokazały zadziwiające działanie systemu, w którym enzymy mogą reagować w celu wytwarzania H2 i redukcji CO2 w jednym kompleksie. Opracowany system biomimetyczny może być zatem stosowany do wytwarzania H2 jako biopaliwa. Pozwoli to na zwiększenie konkurencyjności europejskiej przestrzeni badawczej w dziedzinie badań nad energią odnawialną i umożliwi ograniczanie skutków zmiany klimatu.
Słowa kluczowe
Energia słoneczna, nanomateriały półprzewodnikowe, 1DH2OP, fotosystem II, hydrogenaza, fotokatoda p-Si, ogniwo fotoelektrochemiczne, fotokatoda, fotoanoda z hydrogenlyazą mrówczanową, dwutlenek tytanu
