Физики создали расщепитель воды из белка цианобактерий

Структура фикоцианина (иллюстрация Protein Database).

Новое устройство призвано разделять воду на водород и кислород напрямую, просто под действием солнечного света. Авторы изобретения надеются, что находка поможет эффективно вырабатывать экологически чистое топливо.

Учёные из швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологии (EMPA) совместно с коллегами из университета Базеля (Universität Basel) и аргоннской национальной лаборатории (Argonne National Laboratory) создали и испытали нанобиоэлектрод для фотоэлектрохимической ячейки (PEC).

В устройстве такого типа расщепление воды идёт непосредственно на поверхности электродов, выставленных на свет. Так что отпадает необходимость в промежуточной выработке электроэнергии, как в случае классического тандема «солнечные батареи – электролизёр».

На роль материала для PEC физики не раз пробовали оксиды металлов (некоторые из них обладают хорошими фотокаталитическими свойствами). В новой работе учёные решили применить гематит (разновидность оксида железа). Он усваивает энергию лучей в видимом спектре, дёшев и к тому же широко распространён.

Однако главная изюминка эксперимента — второй компонент электрода. Это фикоцианин (phycocyanin), белок, содержащийся в сине-зелёных водорослях (цианобактериях).

Плёнка из наночастиц гематита (красный цвет) с сетью белкового пигмента (зелёный) под электронным микроскопом. Масштабная линейка – 1 микрометр (фото E. Vitol, Argonne National Laboratory).

"Я был вдохновлён природным фотосинтезом цианобактерий, в котором фикоцианин выступает в качестве основного собирающего свет компонента. Я хотел запустить искусственный фотосинтез с использованием керамики и белков", — вспоминает Дебаджит Бора (Debajeet K. Bora) из EMPA, главный автор разработки.

Исследователи поместили сеть молекул фикоцианина на поверхность гематитового электрода. При этом, утверждает Бора, белок образовал с оксидом железа ковалентную связь.

Испытав такой гибридный материал, учёные обнаружили, что электрод с биологической добавкой производит вдвое больший индуцированный фототок в сравнении с аналогом, построенным из одного гематита. То есть новый материал поглощал и использовал больше фотонов.

При этом белковый комплекс на поверхности пластины, к удивлению специалистов, оказался довольно стойким. Он не разрушался при контакте с оксидом железа в щелочной среде на ярком свете, хотя теоретически эти условия для него не слишком-то благоприятны.

Разработка EMPA представляет интерес в качестве возможного способа производства водородного горючего. Нужно только выяснить, как массово создавать такие электроды и как они будут работать в реальных установках, а не в крохотном лабораторном образце.



Водородный трактор впервые выходит в поле

13 декабря 2011

Химики придумали жидкое хранилище для водорода

28 ноября 2011

Американцы побили рекорд скорости на постном масле

25 ноября 2011

Немцы превратят нацистский бункер в солнечную электростанцию

15 ноября 2011

Генетики получили от риса человеческий альбумин

1 ноября 2011
  • Алексей Ромчак  28 декабря, 14:14
    Здорово. Интересно, какие прогнозы по поводу КПД?
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  28 декабря, 14:18
    В релизе ничего не сказано, но если реальная установка будет и правда дешёвой, можно про КПД вообще не думать. Да хоть 1%. Куда интереснее — будет ли такой метод (за кг) дешевле получения водорода из природного газа, к примеру. Но это можно будет понять только после более масштабных опытов.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Кацель  28 декабря, 15:07
    Как мне думается, если электроды не изнашиваются, никаких расходных материалов не будет — то стоимость полученного водорода будет падать с каждым произведённым килограммом, так что однозначно в результате будет намного дешевле прочих источников получения..
    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  28 декабря, 18:03
    если реальная установка будет и правда дешёвой, можно про КПД вообще не думать. Да хоть 1%
    -----------------------------------------------

    Это под действием солнечного света то? Вот что мне интересно... Почему никто не задумывается что энергия солнышка на земле годится только поиграться? Да и в космосе то же самое, для пока что игрушечных земных аппаратиков а-ля бочка...

    ОтветитьНравится
  •   29 декабря, 21:05
    Я вот думал отвечать на это... этот... эту...даже не знаю как обозначить ваше высказывание... Тот факт, что даже с помощью примитивных солнечных бойлеров для подогрева воды экономятся бессчисленные терравтты электроэнергии, для вас всего лишь «игра». А знаете ли вы, что, к примеру в Израиле, ни один дом не будет принят в эксплуатацию пока каждая квартира не будет оборудована таким бойлером. Это закон. Цена такого комплекта ок. 1000$, а окупается он года за 3-4. Срок эксплуатации 12-18 лет. Игрушки? А известно ли вам, что в развитых странах, излишки электричества произведенного ПОТРЕБИТЕЛЕМ при помощи альтернативных источников, в первую очередь солнечными батареями, покупается государством (сетью) за БОЛЬШУЮ цену, чем оно потребителю продается. Зачем? С целью стимулир
    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  29 декабря, 21:40
    в Израиле, ни один дом не будет принят в эксплуатацию пока каждая квартира не будет оборудована таким бойлером
    -------------------------------

    Ну я готов послушать... А впрочем поиграйтесь ещё... :)

    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  29 декабря, 22:00
    Но всё сказанное остаётся в силе. Концентрация энергии маленькая. И стоило бы денежки тратящиеся впустую на солнышко направить на исследования обещающие что то более существенное...
    ОтветитьНравится
  •   30 декабря, 10:47
    Да тратьте денежки на что хотите! А миллионы людей, тем временем, будут их зарабатывать и экономить на уже существующих и грядущих солнечных технологиях. Концентрация грите маленькая? Ну и головная боль зато тоже! А вам всенепременно Царь-реактор подавай! В это уже игрались. Синдром, однако!
    ОтветитьНравится
  • Антон Куперблюм  31 декабря, 14:54
    Бред сивой кобылы в лунную ночь.

    Мне вот интересно, неужели быть дураком настолько приятно?

    ОтветитьНравится
  • Алексей Теплов  28 декабря, 16:19
    Главное, не создавать бактерии, которые расщепляют воду. А то сбегут, размножатся — и капец нашим океанам.
    ОтветитьНравится
  • Юрий Новиков  28 декабря, 17:51
    нафига бактериям воду без пользы разлагать — это же кучу энергии надо потратить а нафига? А ежели чуть чуть им водорода для жизни надо так они отлично уже воду и разлагают.
    ОтветитьНравится
  • Иван Касьянов  28 декабря, 18:46
    Ну вы даете, чего их создавать? их итак полно — они почитай одни из первых живых организмов на планете. И все океаны вроде на месте
    ОтветитьНравится
  • Владимир Королёв  28 декабря, 16:46
    Вот создадут искусственный фотосинтез и можно отправлять на Марс, создавать кислородную атмосферу из полярной воды. Чем раньше начнем тем быстрее создадим атмосферу.
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Степанов  28 декабря, 17:51
    а не замерзнет ли марс после этого? и водород не улетит ли с планеты?
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  28 декабря, 16:46
    -- Всё равно это установка, и получать чистые Н2 и О2 , через электролиз — это 40% (кпд солн.РV) и мин. 70% электролиз — итого около 28% ?! Предложенный способ даст от силы 2-3 % , в итоге, более сложная система — будет многократно более эффективна.. Не могу согласиться ,что КПД «всё равно» какое , фотосинтез доходит до 1-3 % и еды не хватает.. На больших площадях рост вредной флоры объяснит вам, что ей тоже нужна вода и солнце .. И себестоимость в пересчёте на 1 кг водорода будет несравнимо ниже в очень эффективном , но более сложном как исполнение — обычном и привычном варианте...
    ОтветитьНравится
  • Юрий Новиков  28 декабря, 17:59
    давайте помечтаем — предположим что кпд этой штуки близко к единице — то есть вся энергия видимой части солнечного света запаслась в водород и кислород. Сколько водорода в граммах получим за день на экваторе с одного метра квадратного?
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  28 декабря, 18:08
    -- Что не можете подсчитать ? нет КПД 1 ,есть 100% .. и для данного случая, оно теоретически не может быть равно 100%..
    ОтветитьНравится
  • Илья Цыгвинцев  28 декабря, 19:36
    >нет КПД 1 ,есть 100%

    ;) Зарапортовались вы, батенька.

    >Сколько водорода в граммах получим за день на экваторе с одного метра квадратного?

    Прикинем: солнечная постоянная ~1.3 кВт/м^2. За день оценочно получим 1300*12*3600=56 МДж. Энергия диссоциации: 2H2O -> O2+2*H2. 2*(493+424)-494-2*436=460 КДж/моль. Итого ~ 240 молей H2 в день, или 120 грамм. Все это крайне грубо, но для оценки сойдёт.

    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  28 декабря, 19:39
    КПД не учитывали?
    ОтветитьНравится
  • Юрий Новиков  28 декабря, 20:37
    прекрасно ( сомнение в солнечной постоянной — это для всего спектра или только для видимой части спектра, и эта штука ( белок на ржавчине) весь видимый спектр утилизирует или какой то его узкий сегмент?) Ну не важно, мечтаем ведь. И так лежит метровая панель и за здорово живешь вырабатывает ну пусть не 120 а  12 граммов водорода в день — это сенсация или даром не надо? И при какой цифре это станет сенсацией?
    ОтветитьНравится
  • Илья Цыгвинцев  28 декабря, 22:22
    На самом деле, то что я привёл — оценка сверху. Больше уже точно быть не может. Меньше — пожалуйста. Здесь не учтён КПД, не учтёна спектральная чувствительность (хотя её, по-хорошему, можно загнать в КПД), и крайне грубо оценён поток.

    Но, думаю, порядка нескольких грамм в день получать реально.

    Что мне нравится в подходе этих товарищей — нулевая стоимость техобслуживания. Поставил на солнце поддоны с реактивом и радуешься. Правда, как и с обычной солнечной энергетикой возникает вопрос: где взять площади, и не будет ли более рациональным их использование в иных целях? Тут уже нужно конкретно считать.

    В любом случае — молодцы химики!

    ОтветитьНравится
  • Михаил Фёдоров  29 декабря, 09:43
    солнечная постоянная ~1.3 кВт/м^2 — это вне атмосферы, строго перпендикулярно ... вобщем: ru.wikipedia.org/wiki/%D1%EE%EB%ED%E5%F7%ED%E0%FF_%EF%EE%F1%F2%EE%FF%ED%ED%E0%FF
    На земле даже в полдень , даже близко к экватору, будет значительно меньше. Откуда 12 часов? или расчёт для места в средних широтах?, так я живу на 57 параллели, но хорошо «припекает» у нас максимум 6-8 часов. А если облака? Считать надо для места удалённого от экватора не более 25 градусов. там солнце стоит выше 45 градусов примерно 6 часов. Не вдаваясь в детали предположу, что если утилизировать всю солнечную энергию для описанных условий, получим в теории не больше 40 грамм H2. если привести к практическим показателям (КПД < 10%) выходит меньше 4г. с кв. метра в сутки... мизер. Если даже экватор охватить кольцом шириной километр — 160 тыс. тонн в сутки, ~50 млн. тонн в год. Маловато будет, к примеру один только ЛУКОЙЛ добывает в год более 5 МИЛЛИАРДОВ тонн природного газа! ... прикинув дальше прихожу к выводу после исчерпания углеводородов солнечная энергетика человечество не спасёт, хоть всё землю облепи преобразователями солнечного света.
    (интересно много ли раз я ошибся, кто нибудь проверит расчёты?)
    ОтветитьНравится
  • Максим Воронов  29 декабря, 12:31
    но ведь это H2 а не природный газ. 10 грамм вроде даже соёдёт на заправку автомобиля?
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  29 декабря, 12:52
    Максим Воронов

    «10 грамм вроде даже соёдёт на заправку автомобиля?»

    Если авто на топливных элементах, нужен примерно 1 кг водорода на 100 км пробега.

    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  29 декабря, 13:03
    -- на" Илья Цыгвинцев 28 декабря, 19:36
    >нет КПД 1 ,есть 100%" -- Это в чём я заропартовался..??

    На Землю доходит не более 1000 вт/м2 .. но это к слову.. Получите вы на 1 кв м — не 56 ,а миниум в два раза меньше ..угол надо учитывать милейший.. посему: мах- 6квт*ч с 1 м2 — или 21,6 мдж..

    -- посчитать можно ещё проще: берём энтальпию ж.воды 286 кдж/моль или получается около 16 кдж/гр Н2О , при этом надо помнить ,что там всего 1/9 Н2 — или получится 144 кдж/гр Н2 ..или около 150 гр Н2.. Но самом деле более чем на 120 гр нам надеяться не стоит.. Ответ похож, но ваши рассчёты неправильны ..

    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  29 декабря, 13:11
    -- Ну не так наверное, уже сегодня сложная система ( а что там сложного? — солнечная батарея и компактный электролизёр..) обеспечит около 30% — 1000 кв.км — будет давать около 40 млн.кг в день ? или скажем более 8 млн.тон в год (200 солн. дней)?
    ОтветитьНравится
  • Илья Цыгвинцев  29 декабря, 18:42
    Для оценки сверху сойдёт. Я исходил не из энтальпии образования, а из энергии хим. связей. Про энтальпию я просто забыл. :)

    А вы, что, серьёзно видите разницу между 1 и 100%?

    ОтветитьНравится
  • Юрий Новиков  29 декабря, 18:56
    действительно молодцы. :)
    ОтветитьНравится
  • Юрий Новиков  29 декабря, 18:57
    лучше них химиков только экономисты с уклоном в экологию.
    ОтветитьНравится
  • Юрий Новиков  29 декабря, 19:00
    вообще то в 10 граммах природного газа (СН4) вообще то 2.5 грамма водорода плюс горючий углерод — разница то есть но не на порядки же? :)
    ОтветитьНравится
  •   29 декабря, 21:09
    На Землю доходит не более 1000 вт/м2 .. но это к слову.
    На экваторе доходит и больше
    ОтветитьНравится
  • Poмaн Coлжeницын  28 декабря, 16:50
    «Оказался довольно стойким» — весьма расплывчатое заявление.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  29 декабря, 13:15
    -- Я придерживаюсь взгляда, что на широтах до 40 — есть огромный избыток солнца,и вполне можно делать «сетчатую» конструкцию повыше -на 6 — 20 метров, под ней будет нормальная жизнь а примерно 50% будет поглощаться концентраторами .. и производить энергию ..
    ОтветитьНравится
  • Алёна Кажамяка  29 декабря, 13:59
    тем более, что таким образом снижается нагрузка на охлаждение внизу. Что-то подобное строят в Масдаре(ОАЭ)
    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  29 декабря, 21:17
    Интересно, по этому принципу можно очищать различные смеси?
    Должны быть всевозможные микроорганизмы кушающие все что угодно.
    Засеять спорами бактерий кушающих пластик под воздействием солца и выдающие скажем матан океаны и пусть себе живут.
    Очистят океан от дряни, что мы туда наскидывали.
    Там уж пофиг вообще какой кпд ,что они возьмут себе для жизни, что вернут природе, главное чтобы мусор съели.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  29 декабря, 23:52
    Про бактерии, кушающие пластик. Есть такой НФ-роман ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%83%D1%82%D0%B0%D0%BD%D1%82-59
    Несмотря на дату выхода — 1971 год, актуален до сих пор. И, полагаю, даже сейчас читать его будет интересно (тайны, ужасы, приключения). Там тоже учёные намеревались решить с помощью микробов проблему пластикового мусора, но получили цепь катастроф.
    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  30 декабря, 01:04
    В районе Саргассова моря для пластиковом мусоре были найдены микроорганизмы, кушающие этот настоящий пластик... zinacher.ru/news/010411_obnaruzheny_morskie_bakterii_poedayuschie_plastik
    ОтветитьНравится
  • Poмaн Coлжeницын  30 декабря, 01:19
    Это фэйк первоапрельский:)
    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  30 декабря, 01:21
    Ну 31 марта... :) Но работы были по бактериям превпащающих ГСМ в желе и протчее. Потом инфа пропала...
    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  30 декабря, 01:23
    Кстати кто сказал что 1 апреля датированы только фейки? :))))))
    ОтветитьНравится
  • Poмaн Coлжeницын  30 декабря, 01:57
    Я раньше читал это и знаю, что фейк.
    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  30 декабря, 02:04
    Не имею ровно ничего против... :)
    ОтветитьНравится
  • Сергей Иванов  1 января, 06:33
    Роман Солженицын 30 декабря, 01:57
    Александр Иерархов 30 декабря, 02:04
    Не, ну шутки-шутками, а как насчет Дэниела Барда по той самой ссылке вики от Леонида Попова?
    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  30 декабря, 05:36
    Попов, я и не претендую, на то, что мой вопрос и заложенная в него идея оригинальны.
    Данная тема — микроорганизмы кушающие те или иные вещества многожды обыгрывалась в литературе и кино.
    Я спрашивал о рельном положении дел, ну вдруг тут не только трепачи виртуальные, а и настоящие специалисты бывают?

    И как по мне вопрос опасности таких микроорганизмов сильно раздут, пластмасс есть тысячи видов, представить себе микроорганизм способный питаться всеми ими довольно сложно, еще сложнее представить себе микроорганизм способный сам переходить на новый искусственно созданный рацион и приспосабливаться к искусственно созданной окружающей среде.
    Это я к тому, что человечество, как фактор мутагенеза, для такого микроорганизма на порядок, если не больше превосходит все природные факторы мутагенеза.
    Это значит, что не угнаться за нами мееедленной природе.
    Поэтому какой бы фокус не выкинул такой микроорганизм мы всегда будем на несколько шагов впереди.

    ОтветитьНравится
  • Shamil Dzhanbolatov  2 января, 04:14
    «Это значит, что не угнаться за нами мееедленной природе.
    Поэтому какой бы фокус не выкинул такой микроорганизм мы всегда будем на несколько шагов впереди.»

    _Вы считаете микробы живыми существами?

    ОтветитьНравится
  • Янис Каулиньш  30 декабря, 13:08
    Хм, что-то dejavu... разного рода (каталитические, биологические) подобные решения время от времени появляются уже со семидесьятых, но из стен лабораторий так и не вышли...
    ОтветитьНравится
  • Олег Андрос  31 декабря, 17:03
    На планете-пустыне Плюк из кинофильма Киндзадза тоже 100 лет назад такое устройство изобрели :) Не сильно хочется чтобы и наша прекрасная Земля превратилась в пустыню!
    ОтветитьНравится