Fotoelektrochemický článek pro poloumělou fotosyntézu. Kredit: K. Sokol.

Fotosyntéza je pozoruhodný proces, který bakterie a rostliny používají k přeměně prakticky nevyčerpatelného sluneční záření na chemickou energii. A shodou okolností se při fotosyntéze jako odpad uvolňuje kyslík, který dýchají téměř všechny organismy na Zemi. Není divu, že nás fotosyntéza nepřetržitě fascinuje. Snažíme se ji využít pro své účely, a pokud možno ještě vylepšit.

Katarzyna Paulina Sokol. Kredit: University of Cambridge.

Tým vedený britskými odborníky St John's College na University of Cambridge nedávno hacknul fotosyntézu a vytvořil její poloumělou verzi, která zahrnuje jak přírodní, tak i umělé komponenty. Použili přírodní sluneční záření, aby s ním štěpili vodu na vodík a kyslík. Jejich výzkum, který publikoval časopis Nature Energy, by teď mohl popohnat vývoj systémů pro produkci obnovitelné energie.

Katarzyna Sokol a její spolupracovníci dosáhli toho, že jejich technologie dokáže absorbovat více slunečního záření, než klasická přírodní fotosyntéza. Jak říká Sokolová, přírodní fotosyntéza má hodně daleko k dokonalosti. Je to produkt miliard let evoluce, který nevznikl proto, aby byl perfektní. Fotosyntéza má zajistit přežití organismů, což obstojně zvládá. Dělá to ale s mizernou účinností, kolem cca 1-2 procent.

Fotosyntéza, velmi zjednodušeně. Kredit: Daniel Mayer / Wikimedia Commons.

Po umělé fotosyntéze vědci pošilhávají už dlouho. Je to ale dost náročný sen. Umělé fotosyntetické reakce doposud vyžadovaly katalyzátory, které jsou obvykle velmi drahé a toxické. To je jedním z hlavních důvodů, proč ještě na Zemi nejede umělá fotosyntéza v průmyslovém měřítku.

Sokolová s kolegy použili rafinovaný trik, když reaktivovali proces z metabolismu řas, který evoluce odložila na smetiště. Klíčovou roli v něm hraje enzym hydrogenáza, který dovede katalyzovat vratnou oxidaci molekulárního vodíku. Během evoluce se tento proces v řasách deaktivoval, protože nebyl nezbytně nutný. Jenomže Sokolová a spol. hydrogenázu opět aktivovali a podařilo se jim enzym zapojit do štěpení vody na vodík a kyslík. Hydrogenázu spojili pomocí důmyslného rozhraní s fotoanodou z oxidu titaničitého.

Badatelé jako první na světě úspěšně zapojili hydrogenázu a fotosystém II do systému poloumělé fotosyntézy, kterou pohání výhradně solární energie. Podařilo se jim zvládnout mnoho obtíží spojených s propojováním biologických a organických komponent s anorganickými materiály. Sokalová je přesvědčená, že jejich výzkum povede k vývoji nových technologií a systémů v solární energetice. 

Video: Artificial Photosynthesis | Adam Hill | TEDxStLawrenceU


Literatura
University of Cambridge 3. 9. 2018, Nature Energy online 3. 9. 2018.