Ученые собрали биобатарейку, получающую электричество из света и воды

Израильские физики изобрели новый вид биобатарейки, которая извлекает электричество из воды, разлагая ее молекулы при помощи белковых молекул, которые растения используют для фотосинтеза, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Растения, бактерии и другие микроорганизмы преобразуют энергию света в питательные вещества при помощи так называемых фотосистем I и II, которые включают в себя несколько десятков отдельных компонентов - белков, жиров и пигментов-хлорофиллов. Первая система захватывает фотоны видимого излучения и преобразует их энергию в свободные электроны, а вторая расщепляет молекулы воды на кислород и водород и использует последний для сборки молекул питательных веществ.

Группа ученых под руководством Итамара Виллнера (Itamar Willner) из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) искала способы создания источников питания на базе фотосистемы II, для работы которых не требовался какой-либо химический компонент (углекислый газ, катализатор), разрушающийся в процессе использования.

Виллнер и его коллеги решили эту проблему при помощи двух "природных" компонентов на полюсах батарейки. Анод - отрицательный полюс устройства - изготовлялся следующим образом.

Сначала ученые вырастили колонию сине-зеленых бактерий Mastigocladus laminosus и извлекли молекулы фотосинтезирующих белков из их клеток. Затем физики изготовили небольшой золотой электрод, поверхность которого была покрыта специальным полимером и к свободным "хвостам" которого прикреплялись молекулы фотосистемы II. Этот полимер исполнял сразу две функции - он удерживал молекулы фотосистемы на месте и являлся "проводом", по которому свободные электроны перетекали на золотой электрод.

Положительный полюс - катод - был изготовлен из стеклоуглерода, поверхность которого была покрыта углеродными нанотрубками и ферментом билирубин оксидазой. Это вещество захватывает свободные электроны и использует их для превращения свободного кислорода в молекулы воды. Как объясняют физики, такая реакция препятствует улетучиванию кислорода, который извлекается из молекул воды на аноде.

Авторы статьи собрали экспериментальную биобатарейку и проверили ее работу. Устройство исправно генерировало электрический ток в течение трех часов и продолжало его вырабатывать на протяжении 10 часов, снизив свою эффективность на 10%.

По оценкам исследователей, их изобретение преобразовывает примерно 1% энергии света в электричество, что является достаточно средним показателем. Другие фотосинтезирующие аккумуляторы достигают эффективности в 0,2-3,3%. Тем не менее, такие приборы обычно требуют непрерывного добавления катализаторов или дополнительных реагентов и вывода продуктов реакции, что делает их непригодными для промышленного и бытового использования.

Исследователи планируют улучшить работу своего изобретения, разработав более эффективные методы "упаковки" и присоединения молекул фотосистемы к отрицательному полюсу биобатареи.