Био-фото-электро-химическая установка позволяет получать водородное топливо из листьев шпината и солнечного света.

Прежде всего, не стоит понимать заголовок буквально: речь пойдёт об электролизе (расщеплении) воды с помощью солнца и листьев растений – например, шпината. Вода при электролизе распадается на водород и кислород, которые собирают и хранят отдельно друг от друга. Для чего это нужно? Водородное топливо – один из альтернативных энергетических источников, у водорода самый высокий выход энергии при горении, и, что замечательно, в результате его сгорания у нас снова появляется вода, которую опять можно расщепить.

Шпинат. (Фото Unsplash / pixabay.com.)

Листья шпината, модель хлоропласта, снимок тилактоидов с помощью просвечивающего микроскопа.

Схема устройства БФЭХ-ячейки и фотография прототипа.

В одном из способов получения водорода из воды используют солнечное излучение – ресурс, который можно считать неисчерпаемым. Таким образом, электролиз воды можно рассматривать как «запасание» солнечной энергии. И здесь совсем не обязательно изобретать что-то с нуля, ведь природа уже создала устойчивый механизм, позволяющий запасать энергию солнечного света с диссоциацией воды – это фотосинтез, который выполняют хлоропласты – специальные органеллы клеток растений и водорослей. По сути, процесс фотосинтеза сводится к тому, что энергия фотонов (то есть солнечного света) расходуется на отрыв водорода от молекулы кислорода, после чего водород соединяется со специальным молекулярным комплексом и далее участвует в преобразовании углекислого газа в глюкозу, а освободившийся кислород уходит в атмосферу.

Внутри хлоропласта находятся граны тилакоидов – стопки плоских мембранных «мешочков», чьи мембраны и сидящие в них специальные протеины отвечают за диссоциацию воды на свету. Благодаря плоской форме, у них большое отношение поверхности к объёму, а чем оно выше, тем эффективней фотосинтез. У растений эффективность преобразования света в водород составляет около 1%, а самый лучший результат из биохимических лабораторий достигает 1,5%.

Рой Пинхасси (Roy I. Pinhassi) и его коллеги из израильского Техниона описывают в своей статье в Nature Communications био-фото-электро-химическую (БФЭХ) ячейку, которая использует тилакоидные мембраны для производства водорода. Многие культивируемые растения выращивают ради плодов или корнеплодов, и их листья обычно идут на корм животным, и основная идея авторов работы заключалась в том, что тилакоиды, содержащиеся в листьях, можно использовать для производства водородного топлива, а на корм пускать то, что осталось от этого процесса. В прототипе БФЭХ-ячейки биохимики использовали листья шпината как источник тилакоидов, выделив их из размельчённой зелёной массы.

БФЭХ-ячейка устроена следующим образом. Прозрачное дно ячейки сделано из стекла и одновременно служит анодом (положительно заряженным электродом) – для проводимости стекло покрыто фторидом оксида олова. Дно-анод соединено с катодом из платины (отрицательно заряженным электродом), погруженным в ячейку сверху. На дно наносится тилакоидная масса, и ячейка заполняется буферным раствором, содержащим феррицианиды, которые служат для транспортировки электронов к аноду.

Феррицианиды существенно менее токсичны, чем цианиды. Например, феррицианид калия в реакции с железистыми солями образует широко используемые пигменты: берлинскую лазурь или турнбулевую синь. «Звёздная ночь» Ван Гога и «Большая волна в Канагаве» Хокусая, к примеру, написаны красками именно с этими пигментами.

Электролиз воды происходит под воздействием электрического напряжения. Фотосинтез в мембранах тилакоидов создаёт часть необходимой разницы потенциалов: феррицианиды переносят электроны, освободившиеся в ходе фотосинтеза, на анод, который включен в ту же цепь, что и катод, таким образом создавая разность потенциалов между ними. Однако напряжения, созданного с помощью тилакоидов, не хватает на то, чтобы разорвать связь между водородом и кислородом в молекуле воды. В идеале протоны (ионы водорода H+) должны собраться у катода и восстановиться до молекул H2, после чего газообразный водород соберут с помощью трубки и отправят на химический анализа состава газа или в хранилище. Но, повторим, чтобы произошла диссоциация, нужно приложить дополнительное напряжение, а откуда его взять?

Чтобы не зависеть ни от каких «батареек», ячейка совмещена с небольшой солнечной панелью, которая расположена под катодом. Панель преобразует неиспользованный при фотосинтезе солнечный свет в электричество, создавая то самое дополнительное напряжение, необходимое для диссоциации воды. В результате такая гибридная БФЭХ-ячейка функционирует в автономном режиме.

Во время испытаний ячейки оказалось, что через некоторое время плотность тока, возникшего при фотосинтезе, падает. Дело в том, что протеины в мембране тилакоидов, ответственные за преобразование света в электроны, имеют определённый предел эффективности, по достижении которого они перестают выполнять свою задачу. Эта проблема решается промыванием ячейки буферным раствором и загрузкой свежих тилакоидов.

Правда, эффективность преобразования света в водород с помощью БФЭХ-ячейки составило всего 0.3%, что не дотягивает даже до растений, но здесь мы имеем дело в принципе с очень интересным методом сбора солнечной энергии. Может быть, однажды рядом с грядками во всех садах, полях и огородах будут стоять такие сборщики водородного топлива.