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.

Szczegóły publikacji

Jacquet M, Izzo M, Osella S, Kozdra S, Michałowski PP, Gołowicz D, Kazimierczuk K, Gorzkowski MT, Lewera, A, Teodorczyk, M, Trzaskowski B, Jurczakowski R, Gryko DT, Kargul J (2021), Development of a universal conductive platform for anchoring photo- and electroactive proteins using organometallic terpyridine molecular wires, „Nanoscale”: https://doi.org/10.1039/D0NR08870F