На базе этих электродов в недалеком будущем можно создать эффективную технологию производства водорода, похожую на природный фотосинтез.

Искусственный фотосинтез – давняя мечта ученых. Этот процесс непосредственно преобразует солнечную энергию в топливо, не используя при этом ничего, кроме воды и углекислого газа.

Расщепление воды на кислород и водород в фотоэлектрохимических ячейках является перспективным способом добычи экологически чистого дешевого топлива. Ученые давно пытаются скопировать основные природные процессы фотосинтеза и применить их в фотоэлектрохимических ячейках (PEC). PEC используют солнечный свет для электрохимического расщепления воды и таким образом напрямую генерируют водород, укорачивая традиционную производственную цепочку электролиза воды с применением фотоэлектрических ячеек.

Тонкая пленка из наночастиц оксида железа (красный) покрыта белком сине-зеленых водорослей (зеленый)

Традиционно электроды PEC изготавливаются из полупроводниковых материалов, например оксидов металлов, некоторые из которых имеют фотокаталитические свойства.

В течение достаточно долгого времени международная группа ученых исследовала наночастицы диоксида титана (TiO2), пытаясь найти эффективное средство очистки воды и воздуха от органических загрязнителей. В своей новой работе ученые создали нанобиоэлектрод, состоящий из оксида железа, покрытого особым белком, выделенным из сине-зеленых водорослей. «Гибридный» электрод расщепляет воду в два раза эффективнее, чем электрод, состоящий только из оксида железа.

Оксид железа, в частности alpha-Fe2O3, является перспективным материалом для электродов PEC. Оксид железа чувствителен к видимому диапазону световых волн, а значит использует солнечный свет более эффективно, чем фотокатализаторы на основе диоксида титана, которые более чувствительны к ультрафиолету. К тому же, оксид железа намного более распространен и дешев.

Вторым ключевым элементом электрода нового эффективного реактора для расщепления воды является белок фикоцианин. Это основной светособирающий компонент сине-зеленых водорослей. Совместив тонкую пленку наночастиц оксида железа с белком, ученым удалось в два раза повысить эффективность поглощения фотонов и увеличить выход полезного водорода в процессе расщепления воды.