Группа исследователей под руководством Аргоннской национальной лаборатории (США) представила новый композит для фотохимического синтеза перекиси водорода. В основе системы — сочетание синтетического полупроводника и природных светопоглощающих мембран, выделенных из экстремофильных микроорганизмов — архей.
Технология относится к области наноархитектоники — дисциплине, которая использует наномасштабные строительные блоки для создания функциональных структур по образу живых систем. Как отметил постдокторант Аргоннской лаборатории Джинхён Джанг, наноархитектоника находится в одном ряду с искусственным интеллектом и квантовыми вычислениями по значимости для XXI века.
Гибридный материал представляет собой слоистые нанолисты толщиной около 200 нм — это примерно в 500 раз тоньше человеческого волоса. Они состоят из двух компонентов: оксихлорида висмута (BiOCl), выступающего в роли полупроводника, и фрагментов так называемой пурпурной мембраны — природной структуры архей, эффективно улавливающей солнечный свет.
При облучении светом мембранный компонент генерирует поток протонов и электронов, которые на границе раздела с полупроводником запускают реакцию восстановления кислорода. В результате двухэлектронного и двухпротонного переноса кислород воздуха и вода превращаются в перекись водорода. Как показали эксперименты, гибридный катализатор производит этот продукт более чем в пять раз эффективнее, чем полупроводник без биологического компонента.
Учёный из Аргоннской лаборатории Елена Рожкова подчеркнула, что система функционирует в обычных условиях, используя только дешёвые и распространённые материалы. В промышленности аналогичные процессы требуют высоких температур, давления и сложных каталитических систем. Новая разработка демонстрирует, как инженерный подход к созданию интерфейсов между наноматериалами и биологическими структурами позволяет управлять химическими реакциями в мягких условиях.
Помимо синтеза перекиси водорода, гибридный материал одновременно окисляет этиленгликоль с образованием ценных органических соединений. Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Перекись водорода широко применяется как дезинфицирующее средство, отбеливатель и окислитель — от промышленных процессов до бытовой медицины. Новая технология открывает перспективы создания локальных фотохимических установок для производства этого вещества на месте потребления без транспортировки концентрированных растворов и без затрат на сложное каталитическое оборудование.
