Японские ученые активно изучают "искусственный фотосинтез"

Правительство Японии, начиная с 2012 года, открыло финансирование нескольких научных проектов, посвященных изучению и разработке "искусственного фотосинтеза". Считается, что использование "искусственного фотосинтеза" в промышленных масштабах позволит противостоять глобальному потеплению, сообщает ресурс Insomi.

Наиболее активно в Японии развиваются две программы, одна спонсируется Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии и изучает "преобразование веществ с помощью энергии солнечного света путем искусственного фотосинтеза", а вторую программу — "проект искусственного фотосинтеза" — финансирует Министерство экономики Японии. В бюджет второй программы заложена сумма в 15 млрд иен и рассчитана она на 10 лет. Оба проекта курирует начальник Центра исследования искусственного фотосинтеза Токийского университета профессор Иноуэ.

Профессор Иноуэ объясняет необходимость разработки проектов под управлением государства следующим образом: "Если удастся добиться практического применения искусственного фотосинтеза, то это станет основанием для новой огромной сферы индустрии. Поэтому необходимо взаимодействие с предприятиями. В этой сфере понадобится построение долгосрочных планов, поэтому никакая корпорация не справится с этой задачей в одиночку. Государство должно возглавить этот процесс, грамотно им руководить, руководствуясь рациональными решениями, и разъяснять задачи перед обществом"

Японские ученые рассматривают применение "искусственного фотосинтеза" намного шире, нежели борьбу с глобальным потеплением. Благодаря процессам фотосинтеза ученые рассчитывают получать водород и кислород путем расщепления молекулы воды с помощью солнечного света. Ученые предполагаю, что если добиться сгорания водорода в реакции с кислородом, то после выделения энергии он обратится в воду, а если заставить водород вступать в реакцию с углекислым газом, то можно создать органическую материю.

Стоит отметить, что такие природные ресурсы как нефть, уголь, природный газ и другие виды ископаемого топлива, а также их производные продукты нефтехимии, например пластмасса, — все это является органической материей, которая появляется в результате фотосинтеза из растений и водорослей.

Сейчас основной задачей для ученых является разработка катализатора для окисления воды и для восстановления углекислого газа. При этом основным моментом является возможность использования "видимого света", на который приходится 40% солнечного света, а не ультрафиолетовых лучей, которых не более 2%.

На данный момент ученые разрабатывают три способа: использование функций растений в первоначальном виде, использование "металлокомплексов" и использование полупроводников в качестве катализаторов.

При использовании функций растений в первоначальном виде предполагает, что из листьев растения извлекается только тилакоидная мембрана, помещается между прозрачными пластинами, через которые пропускается свет для извлечения электронов из воды. Далее темновая реакция, в которой растения проявляют низкую эффективность преобразования энергии, проводится искусственным путем.

Второй способ — использование "металлокомлексов" — предусматривает использование вещества, которое имеет структуру с из атома металла и неметаллическими атомами углерода и водорода вокруг него. Гемоглобин, входящий в состав нашей крови, является металлокомплексом с центральным атомом железа, хлорофилл, играющий роль катализатора в фотосинтезе, является металлокомплексом с центральным атомом магния. Сочетание этих веществ позволяет извлечь из воды как минимум четыре электрона, но существует проблем, что "металлокомплекс" теряет свою активность еще до завершения процесса извлечения четырех электронов.

Третий способ, который использует полупроводники, является самым прогрессивным способом в изучении искусственного фотосинтеза. В этом случае используется водный полупроводник — оксид титана. Когда на него попадает свет, то он выступает в роли катализатора, вода полностью расщепляется и образуется водород и кислород. Такие вещества, которые работают в качестве катализатора под действием света, называют "световыми катализаторами".

Однако эти катализаторы реагировали только на ультрафиолетовый свет, сейчас ученные разрабатывают катализаторы, которые реагировали бы на видимый свет.

По большому счету, интерес к "искусственному фотосинтезу" Япония начала проявлять еще в 1972 году, после того как ректор Токийского университета наук Акира Фудзисима опубликовал в английском научном журнале Nature доклад об "эффекте Хонды-Фудзисимы", который стал первым доказательством возможности осуществления искусственного фотосинтеза.
В период с 2006 по 2010 годы наибольшее количество патентных заявок на результаты исследования в этой области было зафиксировано в Японии следом идет США и на третьем месте — Китай.