Průlom v čisté energii: Chytrý polymer chrání sinice a otevírá cestu k masové výrobě vodíkového paliva

Sinice, známé také jako modrozelené řasy, hrály před miliardami let klíčovou roli při formování života na Zemi, když fotosyntézou produkovaly kyslík.

Sinice, známé také jako modrozelené řasy, hrály před miliardami let klíčovou roli při formování života na Zemi, když fotosyntézou produkovaly kyslík. Dnes vědci vidí tyto mikroorganismy jako potenciální nástroj pro výrobu čisté energie, zejména v úsilí o rozvoj udržitelného vodíkového paliva.

Výzkumníci z Německa a Portugalska nyní vyvinuli novou metodu, která udržuje sinice produkující vodík aktivní po delší dobu. Tento průlom řeší jednu z největších výzev v biologické výrobě vodíku: rušení kyslíkem. Mezinárodní tým navrhl elektrochemický systém, který chrání citlivé enzymy uvnitř sinic před poškozením kyslíkem během fotosyntézy. Jejich zjištění, publikovaná v časopise Angewandte Chemie International Edition, by mohla podpořit budoucí technologie obnovitelného vodíku.

Vodík se stal hlavním tématem v globálním sektoru čisté energie. Vlády a společnosti po celém světě masivně investují do nízkouhlíkových vodíkových systémů pro dopravu, výrobu, letectví a energetiku. Nicméně výroba vodíku bez fosilních paliv zůstává nákladná a technicky obtížná. Sinice přirozeně provádějí fotosyntézu za použití slunečního světla, vody a oxidu uhličitého. Za určitých podmínek mohou také produkovat plynný vodík, což je činí atraktivními pro výzkum obnovitelné energie, protože se nespoléhají na tradiční průmyslové zdroje paliva.

Problém spočívá v kyslíku. Během fotosyntézy sinice uvolňují kyslík, který rychle poškozuje enzymy hydrogenázy zodpovědné za produkci vodíku. Vědci se s tímto rozporem potýkali roky. Stávající metody často vyžadují další chemikálie nebo externí zdroje uhlíku k odstranění kyslíku, což zvyšuje náklady a snižuje udržitelnost. Některé systémy také spotřebovávají dodatečnou energii, což omezuje rozsáhlé aplikace.

Nová studie představuje odlišné řešení, které se vyhýbá mnoha těmto nevýhodám. Vědci z Univerzity v Kasselu, Ruhrské univerzity v Bochumi a NOVA University Lisabon zabudovali buňky sinic do speciálně navrženého redoxního polymeru připojeného k elektrodě. Polymer obsahuje viologenové skupiny, které reagují, když výzkumníci aplikují elektrický potenciál. Tato reakce odstraňuje kyslík přímo kolem buněk a vytváří lokalizované prostředí bez kyslíku.

Tím, že chrání hydrogenázy před expozicí kyslíku, enzymy mohou fungovat po delší dobu. Toto uspořádání umožnilo nepřetržitou produkci vodíku, zatímco mikroorganismy stále prováděly fotosyntézu pod světlem. Výzkumníci popsali tento proces jako důležitý krok k škálovatelné biologické výrobě vodíku. Na rozdíl od konvenčních vodíkových systémů se toto uspořádání spoléhá na živé organismy, které se mohou časem přirozeně opravovat.

Prof. Dr. Kirstin Gutekunst z Kasselu uvedla, že jejich přístup kombinuje výhody živých buněk s přesností elektrochemických systémů. Dodala, že tato technologie by mohla pomoci budoucím biofotovoltaickým systémům efektivněji přeměňovat sluneční světlo přímo na vodíkové palivo. Tým také geneticky modifikoval sinice, aby dále zlepšil jejich výkon. Vědci propojili enzymy hydrogenázy přímo s Fotosystémem I, centrální složkou fotosyntézy. Tyto upravené kmeny produkovaly vodík konzistentněji a po delší dobu než přírodní sinice ve stejném polymerním systému. Vědci věří, že tato zjištění by mohla pomoci vyvinout systémy obnovitelné energie nové generace, které kombinují biologii a elektrochemii pro čistší výrobu vodíku.