Создана технология фотосинтеза водорода. «Листья» превращают свет в топливо
Устройства, изготовленные из оксийодида висмута и углерода, могут производить чистый водород из воды под действием света в течение длительного времени. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.
Читайте «Хайтек» в
Исследователи из Кембриджского университета и Имперского колледжа Лондона создали устройства, имитирующие естественный процесс фотосинтеза, происходящий в листьях растений. Единственное отличие — вместо сахаров система производит водород.
Водород — один из перспективных видов топлива, однако сейчас он в основном производится из ископаемых углеводородов. Исследователи отмечают, что многие работы были посвящены созданию зеленого водорода, в том числе посредством расщепления воды под действием солнечного света. Но все они сталкивались с тем, что светопоглощающие материалы, которые можно использовать в производстве, быстро разлагаются в воде.
Один из таких материалов — оксийодит висмута. В отличие от популярных перовкситов, он не токсичен, но чрезвычайно быстро разлагается в воде. Исследователи нашли способ повысить стабильность этих искусственных листовых устройств, поместив оксийодит между двумя оксидными слоями. Прочная конструкция устройства была дополнительно покрыта водоотталкивающей графитовой пастой, предотвращающей проникновение влаги.
В результате срок стабильной работы устройства на основе искусственных «листьев» из оксийодита вырос от нескольких минут до двух месяцев. Такой результат, как отмечают авторы, превращают новое устройство в жизнеспособную систему для промышленного производства зеленого водорода.
Исследователи также обнаружили, что производительность устройств, состоящих из нескольких областей сбора света (называемых «пикселями»), оказалась выше, чем у аналогичного по площади большого «листа». Это открытие, как полагают авторы, может значительно упростить и ускорить масштабирование новых систем для производства топлива.
Это захватывающая разработка! На данный момент лишь немногие солнечные топливные системы демонстрируют стабильность, совместимую с реальными приложениями. Благодаря этой работе мы делаем шаг вперед к созданию безотходной топливной экономики.
Эрвин Рейснер, профессор химии из Кембриджского университета и один из авторов исследования
Читать далее
Источник
Водород из растений: ученые обещают прорыв в энергетике
Ученые из Virginia Tech открыли новый способ добычи водорода из растений. Способ основан на получении водорода из энергии ксилозы – простого и наиболее распространенного сахара в растениях. Ксилоза составляет около 30% от всей биомассы растения, однако, до сегодняшнего дня эффективного способа преобразования ее энергии не существовало. Новый способ превосходи все уже существующие по своей простоте и эффективности в три раза. Раньше ученые пытались добывать водород из ксилозы путем физико-химических и даже генетических воздействий. Ученые из Virginia Tech же, прибегли к использованию некого синтетического фермента, не имеющего аналогов в «дикой» природе.
Принцип работы фермента чрезвычайно прост: он расщепляет молекулы воды. Говоря точнее, при нагревании всего в 50 градусов по Цельсию, фермент начинает свое взаимодействие с ксилозой, после чего, с помощью последней расщепляет молекулы воды, выделяя феноменальное количество водорода. Полученный водород можно сразу же отправлять в энергоячейки. Данный способ получения энергии является не только эффективным, но и полностью экологически чистым. В процессе производства требуются лишь небольшое количество энергии для запуска операции.
Несмотря на тот факт, что цена производства фермента еще остается под вопросом, ученые полны оптимизма. Большинство из них считает, что технология может быть внедрена в мировую энергетику уже в течении последующих 3 лет.
Понравилась эта новость? Тогда жми:
Смотрите ещё
Источник
«Горючие» водоросли
Рано или поздно человечество столкнется с глобальной энергетической проблемой. Понимая это, ученые ищут альтернативные методы получения энергии, в том числе с помощью солнца и ветра. А кое-где пошли еще дальше: в Канаде и Англии, например, разрабатываются проекты электростанций, использующих силу «лунных» приливов.
В последние десятилетия ушедшего столетия и в начале нынешнего внимание исследователей привлек водород. Ученые видят в водородной энергетике достойную замену нефти и газу. Главное достоинство водородного топлива в том, что при его горении образуется только вода и не загрязняется атмосфера. Несмотря на усилия исследователей, проблема дешевого производства этого газа в достаточных количествах по-прежнему актуальна.
Практически неисчерпаемым его источником могут стать… водоросли. Их можно использовать для получения молекулярного водорода фотобиологическим способом. С этой целью водоросли изучают не только в Великобритании, Германии, США, России и других странах мира. Серьезных результатов добились отечественные ученые-биологи из Института биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси. Заведующий лабораторией биофизики и биохимии растительной клетки доктор биологических наук Николай Шалыго и кандидат биологических наук, научный сотрудник этой лаборатории, руководитель научной группы «Биохимия и биотехнология микроорганизмов» Станислав Мельников создали условия, при которых водоросли могут выделять водород, разработали схему так называемого фотобиореактора для получения водорода.
Водоросли выделяют водород, если попадают в условия острого дефицита углекислоты или ее полного отсутствия, чтобы тем самым избавиться от опасного избытка протонов.
— Продуцировать водород могут все водоросли, однако мы использовали 10 видов, в том числе и те, которые имеются в нашей стране, — рассказывают ученые. — Приступая к исследованиям, поставили перед собой цель добиться того, чтобы получаемая продукция была экономически выгодной. Мы подобрали условия, при которых водоросли выделяют большой объем этого газа. В зарубежных научных публикациях сказано, что экономически целесообразным считается уже тот процесс, при котором 1 литр суспензии водорослей выделяет в час 2,5 кубического сантиметра водорода. Нам же удалось создать такие условия, при которых эта величина была выше в 2—3 раза.
Обычно в лишенную углекислого газа среду помещают суспензию клеток водорослей. От этого способа решили отказаться, модифицировав саму среду обитания растений. Были подобраны соединения, которые увеличивают и ускоряют выход водорода за счет активации ферментов, участвующих в его выделении.
Процесс выделения можно усилить, если использовать не только те субстраты окисления, которые накопились в процессе фотосинтеза, а дополнительно добавить, например, глюкозу, ацетат натрия и другие. Тогда сама клетка превращается в фабрику по производству водорода.
— В таких условиях клетки водорослей могут существовать не до бесконечности: они выделяют водород около 12 дней, а потом истощаются и погибают, — комментируют ученые. — После их гибели остается биомасса водорослей, которую можно применять повторно. Для этого к ней необходимо добавить определенный вид бактерий. В результате она используется бактериями опять же как источник для выделения водорода.
Попутно было обнаружено, что водород в расчете на единицу объема культуры активнее выделяется не из одного вида водорослей, а из нескольких — двух и даже трех, совместно выращиваемых. Этот факт исследователи объясняют тем, что разные водоросли в среду обитания выделяют разные физиологически активные вещества, которые становятся стимулирующим фактором для других водорослей. При этом смешанные культуры водорослей в одних и тех же условиях дают на 30—40 процентов ценного газа больше, чем соответствующие монокультуры.
Водороду, как экологическому виду топлива, ученые предсказывают великое будущее. Отрадно, что разработки белорусских биологов вносят лепту в альтернативную энергетику.
Источник
Углерод, водород, кислород и азот в жизни растений
Углерод входит в состав всех органических соединений в растениях: белка, углеводов, жира, органических кислот, витаминов и др. Углерод поступает в растение из воздуха в виде углекислого газа С02, проникая через устьица листьев. В зеленых листьях в процессе фотосинтеза из угольной кислоты и воды образуются углеводы, а также другие органические вещества, белки, органические кислоты в зависимости от условий, при которых происходит фотосинтез. Количество углекислого газа в воздухе в среднем составляет около 0,03% (по объему). В метровом слое воздуха над поверхностью земли на площади в один гектар его содержится около 5—6 кг.
Увеличить количество углекислого газа можно путем применения органических удобрении (25 % от веса органических удобрений приходится на образующийся из них углекислый газ). Из 20-30 т/га навоза получается 5-7 тыс. кг углекислого газа. С повышением содержания углекислого газа в воздухе (до 0,04-0,05%) значительно усиливается его ассимиляция растениями. При содержании углекислого газа в воздухе ниже 0,01 фотосинтез прекращается.
Применение «меченого» (радиоактивного) углерода показало, что небольшое количество (1-5% от общего количества ассимилированного растением углерода) составляет углерод, поступивший через корни из почвенных карбонатов. Количество углекислого газа в воздухе пахотного слоя достигает 0,3%, а с углублением увеличивается до 1,5 %.
Водород и кислород поступают в растение в виде воды. Кроме того, растение получает кислород из воздуха в процессе дыхания. Кислород и водород, содержащиеся в растении, участвуют в его окислительно-восстановительных процессах.
Азот в растениях входит в состав белков, хлорофилла, аминокислот, амидов, алкалоидов и других веществ. Поступает азот в растение главным образом в виде минеральных соединений: нитратов и аммонийных солеи (аниона N03 и катиона NH4). В небольшом количестве азот может поступать в растение в виде солеи азотистой кислоты — нитритов (аниона N02), а также растворимых в воде простейших амидов и аминокислот. Потребность в азоте у растений особенно велика в период учтенного развития листовой поверхности, т. е. в первый период роста растений. Нормальное азотное питание обеспечивает высокую ассимиляционную способность растения, что важно для образования необходимых функций роста растений.
Источник