Een in de VS gevestigd team van onderzoekers, waaronder MIPT-wetenschappers, heeft een biologische structuur op nanoschaal samengesteld die in staat is om waterstof uit water te produceren met behulp van licht. Ze brachten een lichtgevoelig eiwit in nanodiscs - cirkelvormige fragmenten van celmembraan bestaande uit een lipide dubbellaag - en verbeterden de resulterende structuur met deeltjes titaniumdioxide, een fotokatalysator. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Professor Vladimir Chupin, die aan het hoofd staat van het Laboratorium voor Chemie en Fysica van Lipiden bij MIPT's Research Center for Molecular Mechanisms of Ageing and Age-Related Diseases, zegt, "Onze laboratoria die werken met membraaneiwitten, in het bijzonder met nanodiscs, zijn meestal gericht op biofysische en medische kwesties. Echter, de recente gezamenlijke studie met onze Amerikaanse collega's toont aan dat door biologische en technische materialen samen te brengen, nanodiscs kunnen worden gebruikt om waterstofbrandstof te verkrijgen."

waterstof brandstof

Waterstof is een van de schoonste alternatieve energiebronnen. Als het brandt, het enige gevormde product is waterdamp. Verder, bij 45 procent of meer, de efficiëntie van waterstofbrandstof is veel groter in vergelijking met minder dan 35 procent voor benzine of diesel. Hoewel grote autofabrikanten, zoals Toyota, Honda, en BMW, produceren al auto's op waterstof, hun aantal is bescheiden. Waterstof is nog steeds kostbaar om te verkrijgen, grotendeels te wijten aan het hoge stroomverbruik. Om deze reden, onderzoekers zoeken naar manieren om deze brandstof op te wekken door gebruik te maken van andere energiebronnen.

Waterstof kan worden geproduceerd uit water met behulp van zonne-energie. Het proces vereist speciale verbindingen die fotokatalysatoren worden genoemd. Titaandioxide is een van de meest gebruikte. Het is nauwelijks de meest effectieve fotokatalysator, Hoewel, dus onderzoekers doen er alles aan om de prestaties te verbeteren door het tot nanogrootte te vermalen of onzuiverheden toe te voegen. Daartoe, de wetenschappers van het Argonne National Laboratory in Illinois, ONS., zijn naar de biologie gegaan, het samenstellen van een nanostructuur gemaakt van titaniumdioxide en een membraaneiwit genaamd bacteriorodopsine. Door elkaars prestaties te verbeteren, deze twee lichtgevoelige componenten vormen een nieuw systeem waarvan de mogelijkheden die van de samenstellende delen ver overtreffen.

Bacteriorodopsine is een lichtgevoelig eiwit dat deel uitmaakt van de membranen van sommige microbiële cellen. In feite, er zijn nogal wat van dergelijke eiwitten, maar degene die in deze studie werd gebruikt, was afkomstig van Halobacterium salinarum. Het ene uiteinde van het eiwit steekt uit aan de buitenkant van een cel, terwijl het andere uiteinde aan de binnenkant zit. Zonlicht zorgt ervoor dat bacteriorodopsine protonen uit de cel pompt, waardoor de cel energie kan synthetiseren in de vorm van adenosinetrifosfaat. Overigens, het menselijk lichaam produceert elke dag in totaal ongeveer 70 kilogram ATP.

Onderzoekers kunnen het leven nu kunstmatig synthetiseren, zonder dat er biologische cellen bij betrokken zijn. Dus, functionele membraaneiwitten kunnen worden verkregen door media te gebruiken die de natuurlijke omgeving van de eiwitten nabootsen. Tot dergelijke media die voor wetenschappers beschikbaar zijn, behoren nanodiscs - membraanfragmenten bestaande uit fosfolipiden en omringd door twee eiwitmoleculen in een dubbele bandformatie. De grootte van een nanoschijf hangt af van de lengte van de twee riemachtige eiwitten. Als membraaneiwit, bacteriorodopsine hoort thuis in een celmembraan en is dus helemaal thuis in een nanoschijf, wat een verbazingwekkende structuur is die is ontworpen om de natuurlijke eiwitstructuur te behouden. Nanodiscs zijn gebruikt om membraaneiwitstructuren te bestuderen, medische agenten ontwikkelen, en worden nu hergebruikt voor fotokatalyse. Bijgestaan ​​door MIPT materiaalwetenschappers, de onderzoekers verkregen nanodiscs met een diameter van 10 nanometer, met bacteriorodopsine erin genest.

Ze eindigden met waterstof

Het team loste nanodiscs op in water, samen met titaniumdioxidedeeltjes. Ze voegden platina toe, omdat het fotokatalyse effectiever maakt. Overnacht in dat mengsel gelaten, de nanoschijven plakten aan de katalytische deeltjes. Bacteriorodopsine - de protonpomp - deed dienst als antenne. Het ving licht op en bracht zijn energie over op titaniumdioxide, verhoging van de gevoeligheid voor licht. In aanvulling, bacteriorodopsine vervulde zijn gebruikelijke functie van het verplaatsen van protonen, die werden verminderd, waterstof opleveren dankzij de aanwezigheid van de platinakatalysator. Omdat er elektronen nodig zijn om protonen te verminderen, de onderzoekers voegden wat methanol toe aan de oplossing om als elektronendonor te dienen. Het mengsel werd blootgesteld aan groen en wit licht, met in het laatste geval zo'n 74 keer meer waterstof. Gemiddeld, de uitstoot van waterstof werd gedurende ten minste twee tot drie uur vrijwel constant gehouden.

Hoewel er al eerder experimenten met een vergelijkbare nanostructuur zijn uitgevoerd, ze gebruikten bacteriorodopsine in een natuurlijk celmembraan. Vervangen door nanodiscs, produceerden de onderzoekers evenveel waterstof of meer, en ze hadden zelfs minder bacteriorodopsine nodig voor dezelfde hoeveelheid titaandioxide. Het team vermoedt dat dit kan worden toegeschreven aan het vermogen van de compacte en uniforme nanodiscs om gelijkmatiger te communiceren met de katalytische deeltjes. Hoewel natuurlijke bacteriorodopsine de goedkopere optie blijft, voor nu, het is mogelijk dat de evolutie van kunstmatige biosynthesemethoden nanodiscs binnenkort een meer haalbaar alternatief zal maken.