Το επίτευγμα σηματοδοτεί μια νέα εποχή «πράσινης» χημείας.
Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ ανέπτυξαν μια συσκευή που λειτουργεί με ηλιακή ενέργεια και μιμείται τη φωτοσύνθεση για να μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα, το ηλιακό φως και το νερό σε πολύτιμες χημικές ουσίες. Η μη τοξική “ημι-τεχνητή φυλλωσιά” μπορεί να λειτουργεί συνεχώς και αποδοτικά παράγοντας φαρμακευτικές ενώσεις υψηλής καθαρότητας. Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων στη χημική βιομηχανία και να σηματοδοτήσει μια νέα εποχή πράσινης χημείας.
Οι επιστήμονες εντόπισαν έναν βιώσιμο νέο τρόπο παραγωγής βασικών χημικών ουσιών που αποτελούν τη βάση χιλιάδων προϊόντων της καθημερινότητας από πλαστικά και καλλυντικά μέχρι φαρμακευτικά σκευάσματα.
Η παγκόσμια χημική βιομηχανία, η οποία μετατρέπει πρώτες ύλες (κυρίως ορυκτά καύσιμα) σε τελικά προϊόντα, ευθύνεται για περίπου 6% των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα. Τώρα μια ομάδα του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ αναπτύσσει καινοτόμες τεχνικές που θα μπορούσαν να «απο-ορυκτοποιήσουν» τον κλάδο καθιστώντας την παραγωγή χημικών πολύ πιο βιώσιμη.
Οι ερευνητές σχεδίασαν ένα υβριδικό σύστημα που συνδυάζει οργανικούς φωτοαπορροφητικούς πολυμερείς με βακτηριακά ένζυμα, ώστε να μετατρέπουν το ηλιακό φως, το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα σε φορμικό οξύ, ένα καθαρό καύσιμο που μπορεί να τροφοδοτήσει άλλες χημικές αντιδράσεις.
Αυτή η “φυλλωσιά” μιμείται τη φωτοσύνθεση των φυτών, λειτουργεί χωρίς εξωτερική πηγή ενέργειας και δεν περιέχει τοξικά ή ασταθή υλικά, σε αντίθεση με προηγούμενες εκδοχές. Είναι επίσης πιο σταθερή και αποδοτική χωρίς να χρειάζεται πρόσθετα που μειώνουν την απόδοση.
Κατά τη διάρκεια των δοκιμών η ομάδα χρησιμοποίησε το φως του ήλιου για να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα σε φορμικό οξύ και στη συνέχεια το χρησιμοποίησε σε μια αλυσιδωτή (“ντόμινο”) αντίδραση για την παραγωγή φαρμακευτικής ένωσης, επιτυγχάνοντας υψηλή καθαρότητα και απόδοση.
Η έρευνα που δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση «Joule» είναι η πρώτη που χρησιμοποιεί οργανικούς ημιαγωγούς ως το φως απορροφητικό στοιχείο ενός τέτοιου βιοϋβριδικού συστήματος ανοίγοντας τον δρόμο για μια νέα γενιά βιώσιμων τεχνητών φύλλων.
«Αν θέλουμε να χτίσουμε μια κυκλική, βιώσιμη οικονομία, η χημική βιομηχανία είναι ένα μεγάλο, περίπλοκο πρόβλημα που πρέπει να λύσουμε» δήλωσε ο καθηγητής Έρβιν Ρέισνερ από το Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied του Πανεπιστημίου Κέιμπριτζ.
«Πρέπει να βρούμε τρόπους να “απο-ορυκτοποιήσουμε” αυτόν τον κρίσιμο τομέα, ο οποίος παράγει τόσα σημαντικά προϊόντα που όλοι χρειαζόμαστε. Αν τα καταφέρουμε, είναι μια τεράστια ευκαιρία.»
Καθαρότερη προσέγγιση στη τεχνητή φωτοσύνθεση
Η ομάδα του Ρέισνερ ειδικεύεται στην ανάπτυξη τεχνητών φύλλων που μετατρέπουν το ηλιακό φως σε καύσιμα και χημικές ενώσεις χωρίς χρήση ορυκτών καυσίμων. Πολλά από τα προηγούμενα σχέδια βασίζονταν σε συνθετικούς καταλύτες ή ανόργανους ημιαγωγούς, που αποσυντίθενται γρήγορα ή περιέχουν τοξικά στοιχεία όπως ο μόλυβδος.
«Αν μπορέσουμε να αφαιρέσουμε τα τοξικά στοιχεία και να χρησιμοποιήσουμε οργανικά, τότε έχουμε μια καθαρή χημική αντίδραση με ένα μόνο επιθυμητό προϊόν χωρίς ανεπιθύμητες παρενέργειες. Η συσκευή μας συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των οργανικών ημιαγωγών που είναι ρυθμιζόμενοι και μη τοξικοί με βιοκαταλύτες που είναι εξαιρετικά επιλεκτικοί και αποδοτικοί» εξήγησε η Δρ. Σελίν Γενγκ συγγραφέας της μελέτης.
Επίλυση του Προβλήματος της Σταθερότητας των Ενζύμων
Οι περισσότεροι μηχανισμοί απαιτούν χημικά πρόσθετα (ρυθμιστικά διαλύματα) για να διατηρηθεί η δράση των ενζύμων, κάτι που περιορίζει τη διάρκεια ζωής τους. Η ομάδα του Κέιμπριτζ κατάφερε να λύσει αυτό το πρόβλημα ενσωματώνοντας το ένζυμο καρβονική ανυδράση μέσα σε μια πορώδη δομή τιτανίου, επιτρέποντας στη συσκευή να λειτουργεί σε απλό διάλυμα διττανθρακικού — παρόμοιο με ανθρακούχο νερό — χωρίς μη βιώσιμα πρόσθετα.
«Ήταν σαν να λύνουμε ένα μεγάλο παζλ», δήλωσε ο Δρ. Γιονπενγκ Λιου μεταδιδακτορικός ερευνητής μέλος της ομάδας.
«Χρειάστηκε χρόνος για να καταλάβουμε πώς να “ακινητοποιήσουμε” το ένζυμο πάνω στο ηλεκτρόδιο, αλλά τώρα βλέπουμε τους καρπούς αυτής της προσπάθειας»
Εντυπωσιακή Απόδοση και Ανθεκτικότητα
Οι δοκιμές έδειξαν ότι η συσκευή παρήγαγε υψηλά ρεύματα και πέτυχε σχεδόν τέλεια απόδοση στη διοχέτευση ηλεκτρονίων στις αντιδράσεις παραγωγής καυσίμου. Λειτούργησε πάνω από 24 ώρες συνεχόμενα, διπλάσιο χρόνο από προηγούμενα μοντέλα.
Η ομάδα σκοπεύει να βελτιώσει περαιτέρω τη διάρκεια ζωής της συσκευής και να την προσαρμόσει ώστε να παράγει και άλλες χημικές ουσίες. «Δείξαμε ότι είναι δυνατό να δημιουργήσουμε ηλιακά συστήματα που είναι αποδοτικά, ανθεκτικά και απαλλαγμένα από τοξικά υλικά. Αυτό θα μπορούσε να αποτελέσει μια βασική πλατφόρμα για την παραγωγή πράσινων καυσίμων και χημικών στο μέλλον μια πραγματική ευκαιρία για πράσινη καινοτομία στη χημεία» λέει ο Ρέισνερ.
