Poloumělá fotosyntéza kombinuje sílu přírody s důmyslnou chemií  
Čerstvý hack fotosyntézy využívá sluneční záření k štěpení vody na vodík a kyslík. Spoléhá přitom na mix evolucí prověřených biologických komponent a šikovných lidských technologií.
Fotoelektrochemický článek pro poloumělou fotosyntézu. Kredit: K. Sokol.
Fotoelektrochemický článek pro poloumělou fotosyntézu. Kredit: K. Sokol.

Fotosyntéza je pozoruhodný proces, který bakterie a rostliny používají k přeměně prakticky nevyčerpatelného sluneční záření na chemickou energii. A shodou okolností se při fotosyntéze jako odpad uvolňuje kyslík, který dýchají téměř všechny organismy na Zemi. Není divu, že nás fotosyntéza nepřetržitě fascinuje. Snažíme se ji využít pro své účely, a pokud možno ještě vylepšit.

 

Katarzyna Paulina Sokol. Kredit: University of Cambridge.
Katarzyna Paulina Sokol. Kredit: University of Cambridge.

Tým vedený britskými odborníky St John's College na University of Cambridge nedávno hacknul fotosyntézu a vytvořil její poloumělou verzi, která zahrnuje jak přírodní, tak i umělé komponenty. Použili přírodní sluneční záření, aby s ním štěpili vodu na vodík a kyslík. Jejich výzkum, který publikoval časopis Nature Energy, by teď mohl popohnat vývoj systémů pro produkci obnovitelné energie.

 

Katarzyna Sokol a její spolupracovníci dosáhli toho, že jejich technologie dokáže absorbovat více slunečního záření, než klasická přírodní fotosyntéza. Jak říká Sokolová, přírodní fotosyntéza má hodně daleko k dokonalosti. Je to produkt miliard let evoluce, který nevznikl proto, aby byl perfektní. Fotosyntéza má zajistit přežití organismů, což obstojně zvládá. Dělá to ale s mizernou účinností, kolem cca 1-2 procent.

 

Fotosyntéza, velmi zjednodušeně. Kredit: Daniel Mayer / Wikimedia Commons.
Fotosyntéza, velmi zjednodušeně. Kredit: Daniel Mayer / Wikimedia Commons.

Po umělé fotosyntéze vědci pošilhávají už dlouho. Je to ale dost náročný sen. Umělé fotosyntetické reakce doposud vyžadovaly katalyzátory, které jsou obvykle velmi drahé a toxické. To je jedním z hlavních důvodů, proč ještě na Zemi nejede umělá fotosyntéza v průmyslovém měřítku.

 

Sokolová s kolegy použili rafinovaný trik, když reaktivovali proces z metabolismu řas, který evoluce odložila na smetiště. Klíčovou roli v něm hraje enzym hydrogenáza, který dovede katalyzovat vratnou oxidaci molekulárního vodíku. Během evoluce se tento proces v řasách deaktivoval, protože nebyl nezbytně nutný. Jenomže Sokolová a spol. hydrogenázu opět aktivovali a podařilo se jim enzym zapojit do štěpení vody na vodík a kyslík. Hydrogenázu spojili pomocí důmyslného rozhraní s fotoanodou z oxidu titaničitého.


Badatelé jako první na světě úspěšně zapojili hydrogenázu a fotosystém II do systému poloumělé fotosyntézy, kterou pohání výhradně solární energie. Podařilo se jim zvládnout mnoho obtíží spojených s propojováním biologických a organických komponent s anorganickými materiály. Sokalová je přesvědčená, že jejich výzkum povede k vývoji nových technologií a systémů v solární energetice. 

Video: Artificial Photosynthesis | Adam Hill | TEDxStLawrenceU


Literatura
University of Cambridge 3. 9. 2018, Nature Energy online 3. 9. 2018.

Datum: 06.09.2018
Tisk článku

Člověk a příroda ? Energie - Christel Bergstedt, Erik Horn Martin, F. Mikelskis Helmut, Rolf Winter, Volkmar Ditrich, Klaus Liebers
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 49 Kč
cena: 44 Kč
Člověk a příroda ? Energie
Christel Bergstedt, Erik Horn Martin, F. Mikelskis Helmut, Rolf Winter, Volkmar Ditrich, Klaus Liebers
Související články:

Na polceste k fotosyntéze paliva     Autor: Dagmar Gregorová (27.03.2009)
Hacknutí fotosyntézy pro záchranu lidstva     Autor: Stanislav Mihulka (27.09.2014)
Průlomový solární článek vyrábí palivo z oxidu uhličitého a slunečního záření     Autor: Stanislav Mihulka (02.08.2016)
Vyladěním fotosyntézy vědci zvýšili rostlinám výnos o 20 %     Autor: Josef Pazdera (19.11.2016)
Umělá fotosyntéza požírá skleníkové plyny a vyrábí energii     Autor: Stanislav Mihulka (13.05.2017)
Bakteriální nanokyborgové porážejí přírodní fotosyntézu     Autor: Stanislav Mihulka (23.08.2017)



Diskuze:

Pěkně

Alexandr Kostka,2018-09-06 22:15:59

"obnovitelná" energie ze solárního panelu je problém. Toto, pokud by to fungovalo je oproti tomu rozumné. Solární park, který by s pomocí pár FVE panelů hnal do nádrží vodík a do druhé kyslík a jen by jednou za čas dojela cisterna. Vodík do palivových článků, kyslík třeba do oceláren, nebo prostě provozů, kde se využije. (tedy myslím, že vodíkovému článku stačí i kyslík jen ze vzduchu)

Odpovědět


Re: Pěkně

Dagmar Gregorová,2018-09-07 01:25:38

Což o to, vodík jako palivo je super. Problémem je jeho vysoká reaktivita a výbušnost - tedy uchovávání a přeprava -jde navíc o nejmenší atomy/molekuly, lehce "unikají". Tyto vlastnosti hodně zvyšují náklady na bezpečnost, skladování, přečerpávání, přepravu. O autech na vodík se hodně psalo/mluvilo již před cca 20ti lety. Kolik i odborníků si tehdy myslelo, že době nynější již nebudou raritou. Tož jsou a zatím asi nikdo nedokáže odhadnout, jestli životaschopnou. V budoucnu asi ano, zatím řešení nás až tak netlačí.

Odpovědět


Re: Re: Pěkně

David Oplatek,2018-09-07 12:04:27

Nebylo by levnější přepravovat meziprodukt a vodík vyrábět "jednoduchou metodou" na místě? Existuje něco takového?

Odpovědět


Re: Re: Re: Pěkně

Alexandr Kostka,2018-09-07 18:25:18

Nějak mě nenapadá co. Sloučeniny s vodíkem jsou buď hodně stabilní, nebo naopak. Například auto by klidně jelo na peroxid vodíku, ale ten má snad ještě horší vlastnosti než benzín a vodík dohromady. Žíravé, pěkně horká korozivní pára atd.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Pěkně

Novák Jiří,2018-09-07 21:21:26

Slučovat nějak s uhlíkem na metan nebo některý jiný uhlovodík. Uhlíku máme v atmosféře v podobě oxidu víc než je zdrávo a motory a infrastruktura na CNG resp. LPG je dneska běžná.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Pěkně

Jan Novák9,2018-09-09 20:50:26

Uhlíku je v atmosféře ve skutečnosti velice málo a je problém ho zkoncentrovat do využitelné hustoty. Ne že by to nešlo, ale na samotnou koncentraci padne spousta energie, ať už zkapalněním co2 ze vzduchu nebo jeho zachycením do CaCO2 a následným vypálením.
400 ppm je ve skutečnosti jenom 0,04%

Odpovědět


Re: Re: Re: Pěkně

Josef Hrncirik,2018-09-08 13:51:27

Video přiložené je sice velkohubě nazvané umělá fotosyntéza, ale nic tam o ní není. Stejně je z jiné univerzity a ačkoliv je to gender velmi silný tým, Sokol tam není.
Sokol prezentuje práci velmi velkohubě na U of Cambridge: Scientists pioneer a new way to turn sunlight into fuel. Možná tím míní, že pokryli katodu nevodivou hydrogenázou.
Složitou cestou možná vyrobili jako palivo s mizivou účinností malé množství vodíku, možná i fotolýzou vody; ale spíše komplikovaných organických látek (proteinu PSII, barviv, redox polymeru, hydrogenázy, tlumiče, … . Stejně vodík neměřili.
Jejich výzkum měl končit konstatováním: při osvětlení 1 sol (100 mW/cm2) je teoretický vývin vodíku na elektrodě s enzymem hydrogenázou max. cca 100 mW/1,23 V rozkladného napětí vody = 81,3 mA/cm2. Fotosyntéza rostlin akumuluje energii formálně jen max. 3% účinnosti (vzhledem k nutnému následnému řazení mnoha dílčích pochodů vedoucích až k převodu zředěného CO2 do sacharidů a nutné regeneraci oxidačně a fotochemicky namáhaného aparátu.
Kdyby to fotosyntéza zastavila už při H2, možná by měla účinnost i 6% a formálně by bublal H2 intenzitou až cca 5 mA/cm2 při 1 sol. H2 by pochopitelně měli měřit chromatograficky a chlubit se výkonem v H2/100 mW/cm2, nebo proudem z "pálení" použitých látek (jejich faktických spasitelů) na elektrodách blízkým kýženým 80 mA/cm2 a určitě větším než z triviální kombinace běžné PV a elektrolýzy 80.0,14.0,5 = 5,6 mA/cm2 při 1 sol.
Tok H2 či proudy nebo účinnost a zejména ztráta účinnosti (životnost) zejména při oxidacích měly být konstatovány již v abstraktu zdarma.
V nadpise sice reklama řve "bez bias voltages", ale v supplements jsou grafy pro různá pomocná napětí (potenciály).
V abstraktu se jen píše, že navrhli ďábelskou kombinaci PSII a hydrogenázy (určitě dražších než osmium s osmiem funkcionalizovaným redox polymerem na hierarchických náno TiO2 strukturách. Pomluvili tam přírodní fotosyntézu, ale kromě PSI a PSII tam nejsou žádná ani římská čísla.
God save the Queen před polskými imigranty!

Odpovědět


Na obr.1 v supplements neprozřetelně Sokol prozradil, že při pH 6,5 vylučují vodík (redukují!!) při napětí -0,39 V tj. s přepětím cca 200 mV při směšných cca 0,057 mA/cm2

Josef Hrncirik,2018-09-08 16:06:19

Kdyby místo drahé a nestabilní hydrogenázy použil levný FeS2, měl by přepětí jen 100 mV i při proudové hustotě 1 mA/cm2. DOI:10.1021/cs4011698
Nemohl by se ale chvástat vzkříšenou hydrogenázou zadrátovanou s rafinovanými nánostrukturami TiO2

Odpovědět


Re: Re: Re: Pěkně

Josef Hrncirik,2018-09-08 22:21:00

Meziprodukt jsou elektrony tekoucí drátem z vodivostního pásu CB TiO2 fotoanody do vzdálené katody pokryté hydrogenázou v náno TiO2 (v horším případě barvičky zlomyslně se spalující jako sebevražedný Spasitel (sacrificing Agent) i bez biasing voltage a produkují proud vedlejšími reakcemi.
Barvy pohlcování světla u "vnější" fotoanody PSII a s ní v serii "vnitřní" foto(an(kato))dy s barvivy se prý báječně doplňují.
PSII uvolní O2 při 0,84 V , zredukuje se na -0,66 V a cestou přes pheophytin a plastochinon a,b udržuje redox polymer s oxidovaným osmiem (POs) oxidací z anodického konce přidaného barviva dpp 1,1 V nebo RuP 1,37 V na potenciálu 0,44 V. Potenciál redox páru závisí na poměru koncentrací a často na pH.
Potenciál RuP 1,37 V je vyšší než 1,25 V PSII a včas neredukované RuP pak snadno ničí sebe i své okolí. dpp sice nemá tak silný oxidační účinek, ale může redukovat svými -1,17 V 1,25 V PSII ochotněji než RuP jen -0,78 V a provádět chemický zkrat v anodě ze série 2 fotoreakcí. Z osmiovaného polymeru (Pos) při 0,44V elektrony redukují oxidované barviva dpp 1,1 V či RuP 1,37 V a z jejich redukovaných stavů -1,17 či -0,76 V padají do CB TiO2 -0,55 V v anodě a vodičem jsou udvedeny do vzdálené katody, aby nedocházelo k chemickému zkratu kyslíkem či nahromadění třaskavé směsi O2+ 2 H2.
Katoda je hydrogenaza na náno TiO2 a nedává žádné fotonapětí protože hydrogenáza ani nedopovaný TiO2 nejsou fotoaktivní ve viditelném spektru (poslední oranžová křivka v obr. 18.b.) a ani není nasvícena a proud se do ní jen přivádí drátem z TiO2 z kombinované anody (opět do TiO2) na katodě a z něj obtížně do hydrogenázy, místo jednoduše a neprůstřelně do vhodně aktivované Ni či Cu elektrody.
Nejpodivnější je, že z -0,66 V P680 v PSII e- nepřejde do TiO2 -0,55 V a Sokol neprodá osmium v polymeru a blednoucí barviva. Je možné, že přechod na plastochinon Qa/Qb je mnohem rychlejší a tudíž nutný pro bezpečné a rychlé uzavření riskantního aktivního stavu obnovením předaktivního stavu P680 pro vlastní fotoaktivaci a následující riskantní komplikovaný 4 e- pomalý krok uvolnění O2 z vody v OEC při 0,84 V spouštěným nebezpečnými 1,25 V je vhodné podpořit od redukujícího konce foto?biradikálu?

Odpovědět

Není to poloúspěch, alebrž celý. DOI 10.1038/s41560-018-0232-y lze koupit za pouhých 9 doláčů. Není to ani na autorčině stránce a kvůli novičoku ani na Scihub.

Josef Hrncirik,2018-09-06 16:05:26

Stáhnout se dají jen supplements, ze kterých je vidět, že o nic nepřicházíme.
Tam v tab.1 v sloupci EQE je vidět, že max. účinnost je 2,7% nábojově, ovšem drobným písmem napsáno při 6% slunečního maxima (sol = 100 mW/cm2).
Je to ale v jasném sporu s udávanými proudy, max 130 uA/cm2 (!nyní ale plně!) osvětlené elektrody.
Při plném světle 100 mW/cm2 při 1 V FV to musí dát 100 mA/cm2.
Potom by proudová účinnost byla jen max. mizerných cca 0,13% (0,13/100 mA).
Pochopitelně to žere světlo na katodě i anodě. Běžná PV 14% účinnost by na 2 cm2 poskytla proud 28 mA. Běžný elektrolyzér 50% účinnosti by chrlil H2 úměrný proudu 14 mA.
Jsou tedy jen cca 14/0,13 = 108 x horší než triviální kombinace běžné PV a elektrolýzy.
Nedá se ten Brexit urychlit?

Odpovědět


Proč však Sokol Jasné Slunéčko (1 sol = 100 mW/cm2) Svítí Stejně Na Všechno Kvítí svítí na fotoanodu jen monochromaticky a jen 6 mW/cm2 (jak je psáno drobným písmem v předposledním ř. tab.1?

Josef Hrncirik,2018-09-07 06:40:30

Protože pouze při 420 a 560 nm je pouhá nábojová (kvantová) účinnost nejspíše pouze anodického děje větší než mizerné 2%.
Kdyby svítila celým spektrem a 100 mW/cm2, ani nábojová účinnost by nestála za zmínku.
Proč v tabulce uvádí poločas fotoproudu?
Protože i když se osvětluje nejspíše jen 60 mW/cm2 10 s a 30 je hojivá tma a průměr není ani tmavých 60 mW/cm2 ale jen temných 15 mW/cm2, tak se barviva fotosystémů rozpadají s poločasem méně než 1 minuta, vjímečně 8 (pochopitelně s applied bias potential).
Chlubí se sice, že fotolýzy nejsou jako obvykle podporovány zákeřnými pomocnými napětími nebo Spasiteli (Sacrifying Agents) spalovanými nenápadně na elektrodách.
Zde zločin dovedli k dokonalosti a pod elektrodovými kotli topí nenápadně přímo fotosystémy podobně jako parketami.
Proudové hustoty na fotoelektrodách nejsou obvykle větší než 20 uA/cm2.
Formálně lze brát výstupní napětí jako rozkladné napětí vody 1,23 V; tj. poloviny na anodu a katodu. Potom to vesměs produkuje cca 24,6 uW/ 2 cm2; tj. 24,6 uW/ 200 mW nejspíše spalováním fotosystémů s účinností 1,23.10**-2%.
God save the Queen!

Odpovědět


Jak vidno zříti v pravé polovině obr.1 Sokol na obě fotoelektrody pomocí červeného a modrého krokodýlku neohroženě přivádí potřebná bias napětí. Pod 2 svícny je tma dvojnásobná.

Josef Hrncirik,2018-09-07 06:51:42

Odpovědět


Je to bledý. Na obr.18 je vidět jak během hodinového svícení anoda ztrácí účinnost cca 5-10x a dá jen 10 uA/cm2

Josef Hrncirik,2018-09-08 18:56:06

Ve fig.15 slavná hydroláza možná dávala i 60 uA/cm2, ale jen při rychlých pulzových napěťových skenech, kdy nemuselo nic setrvale difundovat a bylo to míchané a pod dusíkem (zachraňte se před prodejem kyslíku vyfukováním kyslíku!)a nestačilo to vyblednout.
Fig.17 ukazuje, že bez bias voltage zkratový proud té nejlepší kombinace elektrod je cca 20 uA/cm2 při 1 sol.
Doba, kdy nad imperiem Slunce nezapadlo je dávno pryč. Bez kolonií to nefunguje.
Je záhodno rychle vypadnout.

Obr.19 ukazuje měření uvolňovaného O2 na fotoanodě z proudu ho redukujícího blízkým prstencem. Proudy by pochopitelně měly být stejné. Proud analyzující je kupodivu 2x větší; bez uzardění ale píší že analýza má účinnost jen 20%! Potom by se proudy lišily 10x!! Nejspíš to bude vnikáním O2 do systému, protože proud cca očekávaný tam byl i potmě. Asi to byl jen obvyklý černý odběr nočního proudu.
Doufám, že fotoprotein PSII i hydrogenáza jim již vybledly podobně jako pomocné barvivo a zplesnivěly, nebo se přeměnily anaerobně na metan.
Tudá nět!

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace