Jak zmieniać energię słoneczną w zieloną elektryczność lub zielone paliwo? Co zrobić, żeby proces sztucznej fotosyntezy był bardziej wydajny? Odpowiedź na te pytania opracował zespół badaczy pod kierunkiem prof. Joanny Kargul i dr Margot Jacquet z Centrum Nowych Technologii UW. Naukowcy stworzyli nanosystem – platformę organiczną, która usprawnia komunikację elektroniczną pomiędzy elektroaktywnym białkiem a powierzchnią elektrody. Praca badaczy została opublikowana w czasopiśmie „Nanoscale”.

Badania dotyczące tematyki sztucznej fotosyntezy są rozwijane przez naukowców od lat 70. XX wieku. W ciągu ostatnich pięciu lat nastąpił przełom w tej dziedzinie. Jest coraz więcej nanosystemów konwertujących energię słoneczną w paliwo i elektryczność z coraz większą wydajnością. Zespół naukowców z UW i innych ośrodów badawczych (PAN i Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych / Sieć Badawcza Łukasiewicz) opublikował artykuł w prestiżowym czasopiśmie „Nanoscale”, wydawanym przez brytyjskie Royal Society of Chemistry, przedstawiając rozwiązanie, które zwiększa wydajność takich systemów.

– W naszej publikacji, podsumowującej dwuletni projekt badawczy, pokazujemy, że możemy stworzyć platformę chemiczną do unieruchamiania różnego rodzaju katalizatorów, które biorą udział w konwersji energii słonecznej. W artykule opisujemy elektroaktywne białko – bardzo silnie wiązane do elektrody dzięki uniwersalnej platformie chemicznej opartej na metaloorganicznych drutach terpirydynowych (TPY) tworzących jednorodną i samoorganizującą się monowarstwę (tzw. SAM). Platforma została bardzo racjonalnie przez nas zaprojektowana, zsyntetyzowana i umiejscowiona na powierzchni elektrody – mówi prof. Joanna Kargul, kierownik Laboratorium Fotosyntezy i Paliw Słonecznych CeNT UW, współautorka publikacji w „Nanoscale”.

Sztuczne liście i biosensory

Wysoce przewodzący nanosystem fotoaktywny – opisany przez badaczy – opiera się na nietoksycznych i szeroko dostępnych pierwiastkach. System działa w wodnym elektrolicie bez zewnętrznych mediatorów, co sprawia, że będzie mógł być potencjalnie wykorzystywany w skalowalnych urządzeniach typu „sztuczny liść” czy biosensorach.

– Elektrody zostały wykonane z tlenku cyny indu (ITO), materiału niskokosztowego, który jest transparentny, przepuszczający światło. Pokazujemy, że możemy usprawnić komunikację elektroniczną pomiędzy modelowym elektroaktywnym białkiem a powierzchnią elektrody. To jest klucz do sukcesu, aby usprawnić wydajność takich urządzeń nie tylko w sztucznej fotosyntezie, ale również w konstrukcji bardziej wydajnych fotoczujników działających z bardzo dużą czułością, wykrywających istotne molekuły, np. w krwi ludzkiej – wyjaśnia prof. Joanna Kargul.

Nanosystem ITO-TPY opisany w „Nanoscale” generuje fotoprądy nawet bez biotycznego elektroaktywnego komponentu. Gęstości fotoprądów są 30-krotnie wyższe od tych uzyskanych dla czystych elektrod ITO oraz dwukrotnie wyższe od najlepiej działających elektrod funkcjonalizowanych biofotokatalizatorami, takimi jak powszechnie znany kluczowy enzym fotosyntezy, fotosystem I.