Un nanoreactor gol pe interior, care copiază două trucuri esențiale ale celulelor vii, produce apă oxigenată folosind doar lumină vizibilă. Rezultatul, publicat în Journal of the American Chemical Society, deschide o cale spre o chimie industrială mai curată și spre fotosinteza artificială.
Studiul a fost coordonat de prof. Li Can, de la Institutul de Fizică Chimică din Dalian (DICP) al Academiei Chineze de Științe, împreună cu echipa prof. Jian Liu de la Universitatea din Mongolia Interioară. Materialul obținut se numește CdS@polidopamină și face parte dintr-un domeniu numit nanocell engineering, care încearcă să reproducă în materiale sintetice ordinea chimică din interiorul celulelor.
Ce împrumută nanoreactorul de la celulele vii
Prima este o pereche redox catecol/o-benzochinonă, plasată în învelișul de polidopamină. Aceasta nu funcționează ca o pompă activă de protoni, ci ca un releu: acceptă și eliberează protoni în mod repetat și accelerează transferul de electroni cuplat cu protoni, procesul în care mișcarea protonului și cea a electronului sunt strâns legate.
A doua este compartimentarea. O cavitate nanometrică goală este înconjurată de un înveliș poros, ceea ce creează un spațiu închis unde reactanții se pot acumula. Structura ajută difuzia moleculelor și, în plus, captează fotonii care intră, astfel încât reacțiile declanșate de lumină decurg mai eficient.
Împreună, cele două elemente echilibrează vitezele diferite ale celor două semireacții care trebuie să meargă în tandem la producerea apei oxigenate: reducerea oxigenului și oxidarea apei.
Cifrele care contează
Sub iluminare cu lumină vizibilă, în soluție apoasă, nanoreactorul a atins o viteză de fotosinteză a H2O2 de 3,24 mmol gcat.-1 h-1. Eficiența de conversie a energiei solare în energie chimică a ajuns la 1,2%.
Pentru a înțelege ce se întâmplă la nivel molecular, cercetătorii au combinat spectroscopie in situ, analiză fotochimică, simulări cu elemente finite și calcule teoretice. Așa au confirmat mecanismul fotocatalitic bazat pe o heterojoncțiune de tip Z.
Catalizator solid și reutilizabil
Echipa a înglobat apoi nanoreactoarele într-o matrice de hidrogel de alginat de sodiu, un material prietenos cu mediul. A rezultat un fotocatalizator solid, care poate fi recuperat și refolosit și care sintetizează continuu apă oxigenată sub lumina solară naturală, cu performanță stabilă.„Studiul nostru oferă o strategie nouă pentru proiectarea de nanoreactoare biomimetice care reproduc tot mai fidel funcțiile sofisticate ale celulelor vii, deschizând oportunități în fotosinteza artificială, cataliza energetică și chimia de sinteză”, a declarat prof. Li Can.
De ce contează pentru industrie
Apa oxigenată este produsă astăzi la scară industrială prin procedeul cu antrachinonă, un flux energointensiv, bazat pe hidrogen și solvenți organici, care se justifică economic doar în instalații mari. Un catalizator care lucrează cu apă, oxigen și lumină ar permite producția locală, în cantități mici, acolo unde substanța este folosită: stații de tratare a apei, spitale sau ferme.
Comunicatul institutului a fost preluat de ScienceDaily, iar lucrarea originală, semnată de Haitao Li și colaboratorii, este publicată în Journal of the American Chemical Society.
Dacă te interesează zona de energie curată, am scris și despre cum dimensionezi corect un sistem fotovoltaic de acasă, despre electricitatea solară obținută pe timp de noapte și despre motorul de avion cu emisii zero dezvoltat de Airbus.
