Біо-фото-електро-хімічна установка дозволяє отримувати водневе паливо з листя шпинату і сонячного світла.
Перш за все, не варто розуміти заголовок буквально: мова піде про електролізі (розщеплення) води за допомогою сонця і листя рослин - наприклад, шпинату. Вода при електролізі розпадається на водень і кисень, які збирають і зберігають окремо один від одного. Для чого це потрібно? Водневе паливо - одне з альтернативних енергетичних джерел, біля водню найвищий вихід енергії при горінні, і, що чудово, в результаті його згоряння у нас знову з'являється вода, яку знову можна розщепити.
В одному зі способів отримання водню з води використовують сонячне випромінювання - ресурс, який можна вважати невичерпним. Таким чином, електроліз води можна розглядати як «запасання» сонячної енергії. І тут зовсім не обов'язково винаходити щось з нуля, адже природа вже створила стійкий механізм, що дозволяє запасати енергію сонячного світла з дисоціацією води - це фотосинтез, який виконують хлоропласти - спеціальні органели клітин рослин і водоростей. По суті, процес фотосинтезу зводиться до того, що енергія фотонів (тобто сонячного світла) витрачається на відрив водню від молекули кисню, після чого водень з'єднується зі спеціальним молекулярним комплексом і далі бере участь у перетворенні вуглекислого газу в глюкозу, а звільнений кисень йде в атмосферу.
Всередині хлоропласту знаходяться грани тілакоїдів - стопки плоских мембранних «мішечків», чиї мембрани і спеціальні протеїни, що сидять в них, відповідають за дисоціацію води на світлі. Завдяки плоскій формі, у них велике відношення поверхні до обсягу, а чим воно вище, тим ефективніше фотосинтез. У рослин ефективність перетворення світла на водень становить близько 1%, а найкращий результат з біохімічних лабораторій сягає 1,5%.
Рой Пінхассі (Roy I. Pinhassi) і його колеги з ізраїльського Техніона описують у своїй статті в Nature Communications біо-фото-електро-хімічну (БФЕХ) комірку, яка використовує тілакоїдні мембрани для виробництва водню. Багато культивованих рослин вирощують заради плодів або коренеплодів, і їх листя зазвичай йдуть на корм тваринам, і основна ідея авторів роботи полягала в тому, що тілакоїди, що містяться в листях, можна використовувати для виробництва водневого палива, а на корм пускати те, що залишилося від цього процесу. У прототипі БФЕХ-осередки біохіміки використовували листя шпинату як джерело тілакоїдів, виділивши їх з розмельченої зеленої маси.
БФЕХ-осередок влаштовано наступним чином. Прозоре дно осередку зроблено зі скла і одночасно служить анодом (позитивно зарядженим електродом) - для провідності скло покрито фторидом оксиду олова. Дно-анод поєднано з катодом з платини (негативно зарядженим електродом), зануреним у комірку зверху. На дно наноситься тілакоїдна маса, і комірка заповнюється буферним розчином, що містить ферріціаніди, які служать для транспортування електронів до аноду.
Ферріціаніди суттєво менш токсичні, ніж ціаніди. Наприклад, ферріціанід калію в реакції з залізистими солями утворює широко використовувані пігменти: берлінську лазурь або турнбульову синь. «Зоряна ніч» Ван Гога і «Велика хвиля в Канагаві» Хокусая, наприклад, написані фарбами саме з цими пігментами.
Електроліз води відбувається під впливом електричної напруги. Фотосинтез у мембранах тілакоїдів створює частину необхідної різниці потенціалів: ферріціаніди переносять електрони, що звільнилися в ході фотосинтезу, на анод, який включений в той же ланцюг, що і катод, таким чином створюючи різність потенціалів між ними. Однак напруги, створеної за допомогою тілакоїдів, не вистачає на те, щоб розірвати зв'язок між воднем і киснем в молекулі води. В ідеалі протони (іони водню H +) повинні зібратися біля катода і відновитися до молекул H2, після чого газоподібний водень зберуть за допомогою трубки і відправлять на хімічний аналізу складу газу або в сховище. Але, повторимо, щоб відбулася дисоціація, потрібно докласти додаткову напругу, а звідки її взяти?
Щоб не залежати від жодних «батарейок», комірку поєднано з невеликою сонячною панеллю, яка розташована під катодом. Панель перетворює невикористаний при фотосинтезі сонячне світло на електрику, створюючи ту саму додаткову напругу, необхідну для дисоціації води. В результаті така гібридна БФЕХ-осередок функціонує в автономному режимі.
Під час випробувань осередку виявилося, що через деякий час щільність струму, що виник при фотосинтезі, падає. Справа в тому, що протеїни в мембрані тілакоїдів, відповідальні за перетворення світла в електрони, мають певну межу ефективності, після досягнення якої вони перестають виконувати своє завдання. Ця проблема вирішується промиванням комірки буферним розчином і завантаженням свіжих тілакоїдів.
Щоправда, ефективність перетворення світла на водень за допомогою БФЕХ-осередку склала всього 0.3%, що не дотягує навіть до рослин, але тут ми маємо справу в принципі з дуже цікавим методом збору сонячної енергії. Може бути, одного разу поруч з грядками у всіх садах, полях і городах будуть стояти такі збирачі водневого палива.