Нанопровода для добычи водорода

Исследователям из Колорадо удалось прикрепить ферменты гидрогеназы к нанотрубкам углерода. Эти широко известные ферменты представляются наиболее перспективными для применения в водородной энергетике будущего, где они будут выполнять роль катализаторов получения водорода и сжигания его в топливных элементах. Сообщение ученых, описывающее процесс образования связи между углеродной нанотрубкой и гидрогеназой принят в печать в ноябрьском выпуске журнала Nano Letters Американским химическим обществом.

Ученым удалось соединить энзимы гидрогеназы и углеродные нанотрубки, являющиеся прекрасными электронными проводниками. Используя методы фотолюминесцентной спектроскопии, ученые показали наличие прочной электронной связи между этими компонентами.

Новый материал может существенно снизить стоимость топливных элементов, так как его применение позволит либо уменьшить, либо вовсе отказаться от платины в конструкции топливных элементов будущего.

Несмотря на то что у исследователей практически не осталось сомнений в том, что водород вскоре придет на смену углеводородному топливу, многие ключевые вопросы этих технологий остаются неразрешенными. Например, непонятно, как добывать водород в планетарных масштабах.

Сейчас его добывают из тех же самых углеводородов, запас которых постепенно подходит к концу. Наиболее перспективной технологией, по общему признанию, является использование солнечного света и его энергии, которую можно использовать для разложения воды на водород и кислород при помощи неорганических полупроводниковых катализаторов. В другом варианте предлагается имитировать процесс фотосинтеза в зелёных растениях, создавая искусственные системы, способные осуществлять эффективное поглощение солнечного света, перенос заряда и энергии в процессе окислительно-восстановительного катализа.

До последнего времени трудно было представить широкое распространение искусственных технологий разложения воды в промышленных масштабах: все они базируются на каталитической активности благородных металлов, в частности платины, природные запасы которой попросту не могут покрыть потребности рынка электроэнергии.

Природа же населила Землю большим количеством бактерий, которые способны к активации связи водород-водород с помощью различных биологических металлокатализаторов гидрогеназы, содержащих в своей структуре железо и никель.

Соединение неорганических материалов и биологических объектов в свете последних достижений наноиндустрии уже долгое время видится наиболее технологичным и эффективным решением, однако до сих пор никому не удавалось осуществить связь молекул гидрогеназы и синтетического материала, сохранив возможность переноса электронов между этими компонентами. Именно наличие электронного переноса позволило бы сделать такие гибридные материалы пригодными для массового производства энергии. В противном случае эффективность катализатора крайне низка.

Наиболее перспективными носителями для биомолекул-катализатров являются одностенные углеродные нанотрубки, так как они обладают высокой электрической проводимостью и уже зарекомендовали себя как хорошие комплексообразователи в реакциях с другими ферментами. Предыдущие исследования показали, что взаимодействие одностенных нанотрубок с энзимами пероксидазы (фермента, разлагающего перекисные соединения в живых тканях) и глюкозоксидазы (окисляющей молекулы углеводов с выделением энергии) может быть использовано в биосенсорах, так как приводит к образованию устойчивых комплексных конформаций, способных к переносу заряда между биологическими и неорганическими компонентами соединения. Кроме того, энзимы, вовлеченные в образование подобных комплексов, продемонстрировали повышенную устойчивость к температурным воздействиям и примесям в растворе.

Теперь учёные показали, что одностенные нанотрубки, обладающие сеткой ненасыщенных связей углерод–углерод на поверхности, могут вступать в растворе в реакции соединения с гидрогеназами на основе железа, носящими название CaHydI, и образовывать эффективные гибридные катализаторы.

В этом случае длинные углеродные трубки функционируют подобно силовым кабелям, один конец которых «подключается» к активным центрам биокатализаторов и участвует в переносе электронов.

Под действием этих активных центров электроны внедряются в нанотрубки, имеющие подходящую конфигурацию электронных орбиталей, при изменении парциального давления водорода над катализатором.

Это первое исследование, результатом которого стало появление эффективного катализатора, образованного биологической молекулой и наноразмерным материалом. Кроме того, оно вносит значительный вклад в область физических и химических знаний о нанотрубках углерода.

Ученые предсказывают большой прогресс в дальнейшей работе различных научных групп, занимающихся созданием топливных элементов и других водородных систем, благодаря своему открытию.