Искусственному фотосинтезу нашли металлическую замену

Медный катализ в присутствии церия (Ce).

Артериальная кровь имеет алый цвет, в то время как венозная – темно-красная. Естественно, что изменение цвета обусловлено разными свойствами и количеством кислорода и углекислого газа, а также разным зарядом ионов железа. Они располагаются в центре гемов, представляющих собой плоские пиррольные (от греч. ПYР – «огонь, пламя») комплексы, удерживаемые альфа- и бета-цепями гемоглобина. В итоге образуется функциональное единство, разобщение которого нарушает активность этого протеина, и как следствие – газообмен кислорода и углекислого газа в организме…

Ученые, достигнув моноатомного уровня в своих исследованиях, знают, что атомы испытывают тепловые колебания, затрудняющие прохождение химических реакций. Происходит это в силу нарушения правильной ориентации электронных облаков и взаимодействия возбужденных электронов, находящихся в состоянии возбуждения весьма краткое время (не более 10–13 с). Ситуации призваны помочь катализаторы. Главным достоинством катализаторов (пример – белковые ферменты) является ускорение преобразования за счет правильной ориентации молекул и атомов.

В знаменитой лаборатории Брукхейвена, что на Лонг-Айленде под Манхэттеном, было показано, что окислы церия и меди способны при наличии восстанавливающего водорода связывать углекислоту, переводя ее в метанол (СНзОН). Но катализатор, показавший в принципе возможность использования меди в таком процессе, оказался довольно капризным и дорогим.

Медные тетрамеры, или кластеры из четырех атомов меди, на подложке оксида алюминия. Фото Physorg

Вот почему специалисты с интересом приняли сообщение, пришедшее из Аргоннской лаборатории, что неподалеку от Чикаго. Исследование опубликовано в журнале American Chemical Society. Они, с одной стороны, попытались уменьшить вибрации за счет ассоциации, использовав стандартную подложку из диоксида кремния (силикона, SiO2), на которой разместили пленку оксида алюминия (Al2O3) толщиной в два атома. Столь малая толщина пленки позволила использовать ее квантовые свойства, которые в данном случае понадобились для размещения тетрамеров – кластеров из четырех атомов меди (Cu).

В полном соответствии с квантовыми свойствами ионов железа в геммах медные кластеры успешно связывают СО2 и при добавлении водорода образуют метанол. Причем скорость процесса – 10 тыс. молекул в секунду в пересчете на один атом меди (при нагревании до 220 градусов). Преимущество медного катализатора – в его относительной дешевизне и простоте, проведении реакции при низкой атмосферной концентрации углекислоты и не слишком высокой температуре.

Создатели медных «гроздей»-кластеров полагают, что с их катализатором можно будет не биться за искусственный фотосинтез, не говоря уже о том, чтобы воссоздавать естественные системы улавливания углекислого газа из атмосферы. Лето 2015 года было самым жарким в Северном полушарии за последний век, что связывают с глобальным потеплением. Уловление в промышленных масштабах одного из главных парниковых газов помогло бы отчасти решить и эту проблему.