Chemický průmysl v současné době vyrábí stovky tisíc chemických látek pro nejrůznější účely. Obvykle zpracovává suroviny, typicky fosilní paliva, na užitečné produkty. Vzhledem k tomu, jak je dnes chemická výroba rozsáhlá, a tomu, že využívá fosilní suroviny, je vcelku pochopitelné, že chemický průmysl zodpovídá za zhruba šest procent globálních emisí uhlíku.
Řada výzkumných týmů ve světě se to snaží změnit. Hledají nové, udržitelné postupy při výrobě chemických látek, které představují základ pro ohromné množství produktů, s nimiž se setkáváme v každodenním životě. S takovými metodami bude možné v dohledné době „defosilizovat“ tento důležitý sektor průmyslové výroby.
Patří k nim i odborníci britské University of Cambridge, kteří nedávno vyvinuli pozoruhodné hybridní zařízení kombinující organické polymery schopné využívat energii slunečního záření s bakteriálními enzymy. Účelem tohoto zařízení je přeměňovat vodu a oxid uhličitý s přispěním energie slunečního záření na mravenčan (formiát), palivo, které může posloužit jako surovina pro výrobu řady dalších látek.
Zařízení týmu z Cambridge je vlastně napůl umělý (semi-artificial) „list“, který napodobuje přírodní fotosyntézu. Rostliny a další organismy organismy využívají podobné procesy poháněné slunečním zářením k přeměně základních látek na sloučeniny bohaté na energii. Dřívější prototypy „umělých listů“ často spoléhaly při absorpci slunečního záření na toxické či nestabilní látky. Nový biohybridní design se vyhýbá toxickým polovodičům, je stabilnější a k provozu nepotřebuje další chemické látky, které by omezovaly účinnost celého systému.
Erwin Reisner a jeho spolupracovníci biohybridní list otestovali v experimentech s výrobou mravenčanu z oxidu uhličitého, který pak následně použili k další chemické reakci, při níž s vysokým výtěžkem reakce i čistotou produktu vznikla sloučenina (R)-1-phenylethanol, která je významnou surovinou pro výrobu farmaceutických látek, polymerů nebo také vůní.
Podle badatelů je to poprvé, kdy byly v podobném typu biohybridního zařízení pro získávání sluneční energie použity organické polovodiče. Tento přístup otevírá cestu k celé nové rodině udržitelných a stabilních umělých listů.
Chemický průmysl v dnešní době představuje centrální část světové ekonomiky. Pokrývá výrobu značného množství produktů, které jsou nezbytné pro mnohé další součásti ekonomiky, od hnojiv a plastů až po barvy, elektroniku a přípravky s rozmanitým využitím v mnoha každodenních činnostech.
Jak uvádí Reisner, pokud chceme vybudovat fungující cirkulární a udržitelnou ekonomiku, chemický průmysl představuje velký a složitý problém, který je nutné v rámci tohoto úsilí řešit. Je nezbytné přijít s řešením, jak defosilizovat toto důležité odvětví, v němž vzniká tolik zásadních a potřebných produktů. Pokud se to podaří, bude to podle Reisnera velký krok k udržitelnému průmyslu.
Reisnerova výzkumná skupina se dlouhodobě specializuje na vývoj umělých listů, které přeměňují sluneční záření na palivo a chemikálie na bázi uhlíku, aniž by využívaly fosilní paliva. Mnoho jejich dřívějších designů ale záviselo na syntetických katalyzátorech nebo anorganických polovodičích, s nimiž byla celá řada problémů. Šlo o látky, které se rychle rozkládají, využívají jen úzkou část spektra slunečního záření nebo obsahují toxické prvky, jako je olovo.
Podle Celine Yeungové z Reisnerovy laboratoře, která se na výzkumu podílela v rámci své doktorandské práce, je důležité z umělých listů odstranit toxické komponenty a využívat organické látky. Pak je možné získat „čistou“ chemickou reakci s jedním výsledným produktem, při které neprobíhají nežádoucí vedlejší reakce.
Jak říká Yeungová, jejich nové zařízení v sobě kombinuje to nejlepší z obou světů, umělého a přírodního. Obsahuje syntetické organické polovodiče, které jsou nastavitelné podle potřeby a hlavně netoxické „Přírodní složku“ představují vysoce selektivní a účinné enzymy, jež pocházejí ze sulfát (síran) redukujících bakterií, konkrétně z pozoruhodné bakterie Nitratidesulfovibrio (Desulfovibrio) vulgaris. Je to významný modelový organismus, v přírodě velmi běžný, a také se jako oportunistický patogen podílí na různých bakteriálních infekcích u člověka.
Reisner a jeho kolegové se během výzkumu museli vyrovnat s chronickým problémem podobných zařízení. Většina takových systémů totiž vyžaduje chemická aditiva, která jako pufry udržují enzymy v provozu. Problém je, že taková aditiva bývají nestabilní a rychle se rozkládají, což omezuje životnost celého systému. Badatelé proto umístili do porézní struktury z oxidu titaničitého pomocný enzym karboanhydrázu, díky čemuž může biohybridní umělý list pracovat v jednoduchém prostředí roztoku bikarbonátu, prakticky v sodovce, aniž by bylo nutné používatnestabilní aditiva.
Podle Yeungové bylo důležité prostudovat a pochopit, jak použité enzymy fungují. Pak mohli s kolegy přesně navrhnout jednotlivé materiály, které tvoří sendvičovou strukturu jejich listu. Experimenty potvrdily, že tento biohybridní list produkuje množství elektrické energie ze slunečního záření a současně dosahuje téměř dokonalé účinnosti při směrování takto připravených elektronů do reakcí vytvářejících výsledný produkt.
Zařízení úspěšně běželo v experimentech déle než 24 hodin, což je více než dvojnásobek oproti předchozím designům. Vědci hodlají nový design dále vyvíjet, aby se ještě víc prodloužila životnost biohybridního listu a aby mohl vyrábět různé druhy chemických produktů.
Umělá fotosyntéza
- Biohybridní „list“ z Cambridge využívá sluneční energii, vodu a CO₂ a napodobuje fotosyntézu bez toxických materiálů.
Výroba čistých chemikálií
- Zařízení přeměňuje CO₂ na mravenčan a následně na další průmyslové látky s vysokou čistotou a účinností.
Krok k bezfosilní chemii
- Nový design ukazuje cestu k udržitelnému chemickému průmyslu, který nebude závislý na fosilních palivech.