Forscher entwickeln eine neue Art der Produktion von Wasserstoffkraftstoff

Wetterexperten machen Stromproduktion planbar | Projekt Zukunft (Februar 2019).

Anonim

Ein US-amerikanisches Forscherteam, zu dem auch MIPT-Wissenschaftler gehören, hat eine nanoskalige biologische Struktur aufgebaut, die mithilfe von Licht aus Wasser Wasserstoff erzeugen kann. Sie setzten ein lichtempfindliches Protein in Nanodisks ein - kreisförmige Fragmente der Zellmembran, die aus einer Lipiddoppelschicht bestanden - und verstärkten die resultierende Struktur mit Titandioxidpartikeln, einem Photokatalysator. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift ACS Nano veröffentlicht.

Professor Vladimir Chupin, Leiter des Labors für Chemie und Physik der Lipide am MIPT-Forschungszentrum für molekulare Mechanismen des Alterns und altersbedingter Krankheiten, sagt: "Unsere Laboratorien, die mit Membranproteinen, insbesondere mit Nanodisks, arbeiten, konzentrieren sich hauptsächlich auf biophysikalische Fragestellungen Die jüngste gemeinsame Studie mit US-amerikanischen Kollegen zeigt jedoch, dass Nanodisks durch die Zusammenführung biologischer und technischer Materialien zur Gewinnung von Wasserstoffbrennstoff genutzt werden können. "

Wasserstoff-Kraftstoff

Wasserstoff ist eine der saubersten alternativen Energiequellen. Wenn es brennt, ist das einzige gebildete Produkt Wasserdampf. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad von Wasserstoff bei 45 Prozent oder mehr viel höher als bei weniger als 35 Prozent für Benzin oder Dieselkraftstoff. Obwohl große Automobilhersteller wie Toyota, Honda und BMW bereits mit Wasserstoff betriebene Autos produzieren, sind ihre Zahlen bescheiden. Wasserstoff ist immer noch teuer zu erhalten, hauptsächlich aufgrund des hohen Stromverbrauchs. Aus diesem Grund suchen Forscher nach Möglichkeiten, diesen Brennstoff durch Erschließung anderer Energiequellen zu erzeugen.

Wasserstoff kann mit Solarenergie aus Wasser gewonnen werden. Das Verfahren erfordert spezielle Verbindungen, die Photokatalysatoren genannt werden. Titandioxid ist eines der am weitesten verbreiteten. Es ist jedoch kaum der effektivste Photokatalysator, weshalb die Forscher große Anstrengungen unternehmen, um ihre Leistung zu steigern, indem sie auf Nanometergröße gemahlen oder Verunreinigungen hinzugefügt werden. Zu diesem Zweck haben sich die Wissenschaftler des Argonne National Laboratory in Illinois, USA, der Biologie zugewandt und eine Nanostruktur aus Titandioxid und einem Membranprotein namens Bacteriorhodopsin zusammengebaut. Diese beiden lichtempfindlichen Komponenten bilden durch die gegenseitige Leistungssteigerung ein neues System, dessen Fähigkeiten die seiner Bestandteile bei weitem übertreffen.

Bakteriorhodopsin ist ein lichtempfindliches Protein, das Teil der Membranen einiger mikrobieller Zellen ist. In der Tat gibt es einige solcher Proteine, aber das in dieser Studie verwendete wurde aus Halobacterium salinarum entnommen. Ein Ende des Proteins steht auf der Außenseite einer Zelle hervor, während das andere Ende auf der Innenseite liegt. Sonnenlicht bewirkt, dass Bacteriorhodopsin Protonen aus der Zelle pumpt, was es der Zelle ermöglicht, Energie in Form von Adenosintriphosphat zu synthetisieren. Der menschliche Körper produziert übrigens täglich rund 70 Kilogramm ATP.

Forscher können jetzt künstlich Leben synthetisieren, ohne dass biologische Zellen beteiligt sind. Somit können funktionelle Membranproteine ​​erhalten werden, indem Medien verwendet werden, die die natürliche Umgebung der Proteine ​​nachahmen. Zu diesen Medien, die den Wissenschaftlern zur Verfügung stehen, gehören Nanodisks - Membranfragmente, die aus Phospholipiden bestehen und von zwei Proteinmolekülen in einer Doppelbandformation umgeben sind. Die Größe einer Nanodisc hängt von der Länge der beiden bandartigen Proteine ​​ab. Als Membranprotein gehört Bakteriorhodopsin in eine Zellmembran und ist daher in einer Nanodisc, die eine erstaunliche Struktur zur Erhaltung der natürlichen Proteinstruktur darstellt, zu Hause. Nanodisks wurden verwendet, um Membranproteinstrukturen zu untersuchen, medizinische Wirkstoffe zu entwickeln und werden nun für die Photokatalyse eingesetzt. Mit Unterstützung von MIPT-Materialwissenschaftlern erhielten die Forscher Nanodrähte mit einem Durchmesser von 10 Nanometern, in denen Bakteriorhodopsin eingebettet ist.

Sie haben am Ende Wasserstoff

Das Team löste Nanodiscs zusammen mit Titandioxidpartikeln in Wasser auf. Sie haben Platin hinzugefügt, weil es die Photokatalyse effektiver macht. Über Nacht in dieser Mischung blieben die Nanodisks an den katalytischen Partikeln haften. Bakteriorhodopsin - die Protonenpumpe - verdoppelte sich als Antenne. Es fängt Licht ein und überträgt seine Energie auf Titandioxid, wodurch seine Lichtempfindlichkeit erhöht wird. Bacteriorhodopsin führte außerdem seine übliche Funktion der Translokation von Protonen aus, die dank der Anwesenheit des Platinkatalysators reduziert wurden. Da Elektronen zur Reduktion von Protonen benötigt werden, fügten die Forscher etwas Methanol in die Lösung ein, um als Elektronendonor zu dienen. Die Mischung wurde grünem und weißem Licht ausgesetzt, wobei im letzteren Fall etwa 74-mal mehr Wasserstoff erzeugt wurde. Im Durchschnitt wurde die Emission von Wasserstoff für mindestens zwei bis drei Stunden bei einer nahezu konstanten Rate aufrechterhalten.

Obwohl zuvor Experimente mit einer ähnlichen Nanostruktur durchgeführt wurden, verwendeten sie Bacteriorhodopsin in einer natürlichen Zellmembran. Durch den Einsatz von Nanodisks produzierten die Forscher genau so viel Wasserstoff oder mehr und benötigten bei gleicher Titandioxidmenge sogar weniger Bakteriorhodopsin. Das Team vermutet, dass dies der Fähigkeit der kompakten und gleichmäßigen Nanodisks zugeschrieben werden könnte, sich gleichmäßiger mit den katalytischen Teilchen zu verbinden. Obwohl natürliches Bakteriorhodopsin nach wie vor die billigere Option ist, ist es möglich, dass die Entwicklung künstlicher Biosynthese-Methoden die Nanodisks bald zu einer praktikableren Alternative macht.

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