Ďalšia umelá fotosyntéza je 10x účinnejšia. Nahradí ropu?

Štúdia Nature Catalysis od šiestich chemikov z University of Chicago predstavila nový systém umelej fotosyntézy, ktorý je rádovo produktívnejší ako predchádzajúce umelé systémy. Na rozdiel od prírodnej fotosyntézy rastlín, ktorá produkuje sacharidy z oxidu uhličitého a vody, umelá fotosyntéza môže produkovať etanol, metán alebo iné palivá.

Zástancovia syntetických uhľovodíkových palív sa nazdávajú, že práve toto je cesta k udržateľnej energetike a nie „zelený“ vodík a elektromobilita.

Jednou z možností, ktoré vedci skúmajú, je umelá fotosyntéza – prepracovanie systému rastlín na výrobu syntetických palív. Chemická technológia v listoch rastlín je však neuveriteľne zložitá a nie je ľahké ju modifikovať na naše vlastné účely.

Fotosyntéza vytvára uhľovodíky vo forme sacharidov, ktoré sú skvelé pre nás, ale nie ako palivo pre naše autá, alebo lietadlá. Tie potrebujú oveľa koncentrovanejšiu energiu. Takže výskumníci, ktorí chcú vytvoriť alternatívy k fosílnym palivám, musia technológiu fotosyntézy prepracovať, aby vytvárala energeticky výdatnejšie palivá, ako je etanol alebo metán (CH₄).

Táto transformácia je komplikovaná, preto sa vedci snažia o jej zdokonalenie už dlhé roky. Profesor Wenbin Lin a jeho kolegovia z University of Chicago dostali nápad skúsiť pridať niečo, čo systémy umelej fotosyntézy doteraz nevyužívali: aminokyseliny.

Tím začal s typom materiálu nazývaného kovovo-organická štruktúra alebo MOF (Metal-Organic Framework). To je trieda zlúčenín tvorených kovovými iónmi, ktoré držia pohromade organické spojovacie molekuly. Potom použili MOF ako jednu vrstvu, aby poskytli maximálnu plochu povrchu pre chemické reakcie, a všetko ponorili do roztoku, ktorý obsahoval zlúčeninu kobaltu na prenášanie elektrónov. Nakoniec do MOF pridali aminokyseliny a experimentovali, aby zistili, ktorá funguje najlepšie.

Nakoniec dokázali zlepšiť obe časti reakcie – proces, ktorý rozkladá vodu a proces, ktorý pridáva elektróny a protóny do oxidu uhličitého. V oboch prípadoch aminokyseliny pomohli reakcie urýchliť. Nový fotosyntetický systém vyrába z oxidu uhličitého a vody metán, kyslík a oxid uhoľnatý:

(1 + n)CO₂ + 2H₂O → CH₄ + nCO + (2 + n/2)O₂

V umelej fotosyntéze sa uplatnila kovoorganická kostra MOF v kombinácii s aminokyselinami, ktoré nadviazali k jednovrstevnému MOF-u. Vznikol tak komplex MOZ (Metal-Organic-Zyme) s aktívnymi centrami, podobne ako pri prírodných enzýmoch.

Vedci testovali viacero kombinácií MOZ s odlišným chemickým zložením a vyselektovali efektívny systém umelej fotosyntézy, ktorý vyrába z oxidu uhličitého a vody metán, kyslík a oxid uhoľnatý. Systém je 10x účinnejší, ako doterajšie systémy umelej fotosyntézy.

Praktické využitie technológie ešte nie je celkom na dosah, ale je jasné, že ide o prelomovú technológiu, ktorá by sa mohla presadiť aj pri ďalších priemyselných chemických procesoch.

Nemuselo by ísť len o výrobu syntetických palív pre dopravné prostriedky, ale uplatniť by sa mohla aj pri získavaní surovín pre výrobu liekov, alebo umelých vlákien.