Ученые из Американского университета выяснили, что богатый питательными веществами шпинат может служить отличным возобновляемым богатым углеродом катализатором. Идея использования фотосинтетических и электрохимических свойств шпината существует уже около 40 лет. Это однолетнее растение легко выращивать, и оно богато железом и азотом. Десятилетия назад физик Элиас Гринбаум, работавший в Национальной лаборатории Окриджа, выступал на конференции, посвященной его исследованиям, связанным со шпинатом. В частности, его интересовали основанные на белке «реакционные центры» в листьях шпината, которые являются основным механизмом фотосинтеза — химического процесса, с помощью которого растения превращают углекислый газ в кислород и углеводы.
Существует два типа реакционных центров. Один тип, известный как фотосистема 1 (PS1), преобразует углекислый газ в сахар; другая, фотосистема 2 (PS2), расщепляет воду с образованием кислорода. Большой научный интерес представляет PS1, который действует как крошечная светочувствительная батарея, поглощая энергию солнечного света и испуская электроны с почти 100-процентной эффективностью. PS1 способна генерировать индуцированный светом поток электричества за доли секунды.
Разумеется, это не огромная мощность, но ее достаточно, чтобы однажды запустить небольшие молекулярные машины. Работа Гринбаума обещала создать искусственную сетчатку, например, заменить поврежденные клетки сетчатки светочувствительными PS1 для восстановления зрения у людей, страдающих дегенеративным заболеванием глаз. Поскольку PS1 можно настроить так, чтобы она вела себя как диод, пропускающий ток в одном направлении, но не в другом, ее можно использовать для создания логических вентилей для рудиментарного компьютерного процессора с использованием проводов размером с молекулу, сделанных из углеродных нанотрубок.
Гринбаум — лишь один из многих исследователей, интересовавшихся шпинатом. Например, в 2012 году ученые из Университета Вандербильта объединили PS1 с кремнием, чтобы получить уровни тока почти в 1000 раз выше, чем те, что достигаются при нанесении белковых центров на металлы, наряду с умеренным увеличением напряжения. Цель заключалась в том, чтобы в конечном итоге создать «биогибридные» солнечные элементы, которые могли бы конкурировать со стандартными кремниевыми солнечными элементами с точки зрения уровней напряжения и тока.
Помимо реакционных центров, у шпината есть и другие интересные свойства. Например, в статье китайских исследователей от 2014 года сообщалось об экспериментах по сбору активированного угля из шпината для конденсаторных электродов, а в декабре 2019 года другая группа китайских ученых исследовала возможность создания нанокомпозитов на основе шпината, которые могли бы служить фотокатализаторами.
Шпинат также оказался многообещающим катализатором в технологии топливных элементов. Ранний запатентованный подход Гринбаума к использованию растения в качестве катализатора включал разбрызгивание металлической платины на PS1 для получения чистого газообразного водорода для питания топливных элементов. По словам авторов новой статьи, листовая зелень может быть менее токсичным и более дешевым катализатором реакции восстановления кислорода в топливных элементах, в которой используется другой подход — из шпината изготавливаются нанолисты с высоким содержанием углерода.
Приготовление катализатора на основе шпината начинается с мытья свежих листьев, превращения их в сок, высушивания и замораживания. Затем в полученный порошок добавляются соли (хлорид натрия и хлорид калия) и немного меламина, чтобы повысить содержание азота. Соли играют ключевую роль в создании пор в конечных нанолистах, тем самым увеличивая площадь поверхности, доступную для оптимизации химических реакций. «На этом этапе наш метод требует, чтобы мы добавляли немного больше азота в исходный материал, потому что, хотя шпинат изначально содержит много азота, в процессе приготовления часть этого азота теряется», — Шучжун Цзоу, профессор химии Американского университета. Наконец исследователи использовали два этапа термического разложения материала при температуре 900°C для производства нанолистов с высоким содержанием углерода. Они обнаружили, что катализаторы на основе шпината более эффективны, чем катализаторы на основе платины.
«Эта работа предполагает, что можно сделать устойчивые катализаторы для реакции восстановления кислорода из природных ресурсов. Испытанный нами метод позволяет производить высокоактивные катализаторы на основе углерода из шпината, который является возобновляемой биомассой. Фактически, мы считаем, что он превосходит коммерческие платиновые катализаторы как по активности, так и по стабильности», — отмечает Цзоу. Следующим шагом станет создание полного прототипа, в котором катализатор на основе шпината используется в реальном водородном топливном элементе. По словам Цзоу, для этого потребуется сотрудничество с другими лабораториями. Шпинат также может быть хорошим катализатором для металло-воздушных батарей, используемых для питания электромобилей.
