Ученым удалось создать одну из самых эффективных систем солнечного преобразования углекислого газа в угарный газ, необходимый для производства синтетического топлива. Новая технология выполняет до 165 каталитических циклов в секунду и обеспечивает около 180 тысяч превращений CO2 на одну молекулу катализатора, приближаясь по эффективности к природным ферментам. Такой результат открывает новые возможности для создания технологий, способных производить химическое сырье и синтетическое топливо из парникового газа с использованием солнечной энергии.
Ученые Нанкинского университета в Китае разработали искусственную фотокаталитическую систему, вдохновленную принципами работы природных ферментов. Они предложили новый способ, позволяющий преодолеть одно из главных ограничений фотокатализа, которое заключается в крайне низкой концентрации активных частиц, возникающих под действием света и запускающих химические реакции.
Превращение углекислого газа в полезные химические продукты считается одним из перспективных направлений развития низкоуглеродной энергетики и химической промышленности. Однако большинство фотокаталитических систем работают недостаточно эффективно. Причина заключается в том, что образующиеся под действием света активные промежуточные соединения существуют доли секунды и быстро исчезают, не успевая вступить в реакцию с CO2.
Чтобы решить эту проблему, ученые обратились к механизму, который миллиарды лет использует живая природа. В клетках ферменты заранее концентрируют необходимые молекулы рядом с активным центром, благодаря чему химические реакции протекают значительно быстрее. Ученые создали искусственный аналог такой системы, представляющий собой молекулярную капсулу на основе порфирина с атомами железа. Порфирин является органической молекулой, близкой по строению к тем, которые входят в состав гемоглобина крови и хлорофилла растений. Полученная капсула была способна собирать и удерживать активные частицы в непосредственной близости от каталитических центров.
Ученые смешали вещество, поглощающее свет, и специальное соединение, выступающее источником электронов для будущей реакции, а затем осветили эту смесь. В результате в растворе образовалось большое количество активных отрицательно заряженных частиц. Когда в систему добавили положительно заряженную капсулу, она притянула и захватила их внутри себя, создав насыщенную среду, готовую к катализу.
Этот подход кардинально изменил ход реакции. Благодаря предварительному накоплению активных частиц и их концентрации внутри капсулы катализатор начал работать практически в режиме полного насыщения, подобно природному ферменту. Такой переход от хаотичного взаимодействия молекул к процессу, организованному по принципу работы ферментов, позволил существенно повысить эффективность реакции. Система стабильно производила угарный газ с частотой до 165 каталитических циклов в секунду, что сопоставимо с работой некоторых природных ферментов и лучших современных фотокаталитических систем.
За время работы системы одна молекула катализатора обеспечивала около 180 тысяч циклов превращения углекислого газа в угарный газ. Это один из лучших результатов, достигнутых для фотокаталитического восстановления CO2. Селективность реакции превысила 99,9%. Практически весь углекислый газ превращался именно в целевой продукт. Используя изотопную метку углерода-13, ученые подтвердили, что полученный угарный газ действительно образуется из CO2. Кроме того, в специально разработанном проточном микрореакторе им удалось повысить число каталитических циклов до 362 тысяч за два часа непрерывной работы.
Помимо восстановления CO2, ученые показали, что созданная система может служить универсальной платформой для проведения других химических превращений. Используя ту же капсулу и тот же принцип предварительной инкубации, они получили ряд бензимидазолов и бензотиазолов, которые широко применяются в фармацевтике и химической промышленности. Эффективность реакции зависит от химической природы исходных соединений. Молекулы, содержащие азот и серу, реагировали значительно активнее, чем аналогичные соединения с кислородом.
