Nanocsövekkel a mesterséges fotoszintézisért

Kínai kutatók szerint szén nanocsövekkel megvalósítható a mesterséges fotoszintézis. A csapat eredményei azt bizonyítják, hogy a nanocsövek képesek a fotoszintézis egy fontos lépcsőfokának utánzására, amit a kémikusok mind a mai napig nem tudtak lemásolni.

A mesterséges fotoszintézis lehetővé tenné a hidrogén hatékony előállítását, megnyitva az utat a valóban tiszta gépjármű üzemanyagok előtt, de felhasználható lenne többek közt a légkör széndioxidtól való megtisztítására is. A fotoszintézis lebontó és felépítő folyamatokból tevődik össze, a fotoszintetizáló organizmusok a fényt használják a víz oxigénné és hidrogénné bontására, majd a hidrogén reakcióba lép a széndioxiddal a szénhidrátok szintetizálásának elősegítése érdekében, ezt használják fel az organizmusok az energia tárolásához. A kémikusok régóta próbálkoznak a folyamat reprodukálásával, egy kulcslépés lemásolása azonban lehetetlennek tűnik.

A látható fotonok csak korlátolt mennyiségű energiával tudnak hozzájárulni egy kémiai reakcióhoz, ezt az energiát felszívják a reakcióban résztvevő elektronok. A nagyobb energiát igénylő reakciók, mint a szénhidrátok szintézise, csak akkor mehet végbe, ha nagy számú energiával töltött elektron áll rendelkezésre a folyamathoz, ezért a kémikusok szerint a fotoszintézis a többelektronos rendszerek reakció osztályába esik. A fotoszintézisnek elegendő energiát biztosító többelektronos rendszert azonban még senkinek sem sikerült mesterségesen létrehoznia. Egy ilyen rendszerhez szükséges egy donor molekula, ami beszívja a látható fényt és sok elektront bocsát ki, valamint egy akceptor molekula, ami képes befogadni és eltárolni ezeket az elektronokat. A létező rendszerek egyszerre csak egy elektront tudnak kibocsátani és befogadni.

A New Scientist beszámolója szerint a kínai Heibei Tudományi és Műszaki Egyetem csapata Xian-Fu Zhang vezetésével felfedezte, hogy az egyfalú szén nanocsövek képesek a többelektronos rendszerek motorjaiként viselkedni. Egy szén nanocső ugyanis 32 szénatomonként be tud fogadni egy elektront, ami azt jelenti, hogy egy rövid nanocső is képes sok elektron befogadására, tehát elláthatná az akceptor molekula szerepét a mesterséges fotoszintézisben állítja Zhang.

A probléma másik részére is van megoldás: bár jelenleg nincs olyan ismert kis molekula, ami alkalmas lenne nagy számú elektron kibocsátására miután látható fényt nyelt el, a ftalocianin (PC) nevű molekulák fény beszívásakor képesek egyetlen elektron kibocsátására. Zhang csapata szerint ha nagy számú PC-molekulát kovalensen egy szén nanocsőhöz kötnek, akkor képesek lesznek létrehozni egy többelektronos rendszert, amit aktivál a látható fény.

A kínai kutatás azt mutatja, hogy egy mindössze 1 mikrométer hosszú nanocsőhöz 120 PC-molekula köthető és a molekulákból származó elektronok 25%-a tárolható el. "Úgy döntöttünk kezdetben ezt a rendszert alkotjuk meg, egyszerűen csak azért, hogy hatékonyan alakítsuk át a napenergiát elektromossággá" - mondta Zhang, aki azonban úgy véli, a nanorendszer képes létrehozni a mesterséges fotoszintézis modell egy kulcs komponensét. A nanocsövekben tárolódott extra elektronok felhasználhatók egy kloroplaszt vegyület, az NADP NADPH-vá alakításához, ami ezután a széndioxidot szénhidrogénekké redukálhatja.