Zrównoważona konwersja energii słonecznej w układach biomolekularnych
08 01 2025
Kategoria: Research highlights, Strona główna
Czerpiąc inspirację z naturalnej fotosyntezy, społeczność naukowa dąży do opracowania zaawansowanych i bardziej zrównoważonych materiałów funkcjonalnych do konwersji energii słonecznej poprzez połączenie zaawansowanych molekularnych biomaszyn z różnymi materiałami syntetycznymi. Podczas gdy molekularne biokomponenty zostały zoptymalizowane w ich naturalnym środowisku przez miliardy lat ewolucji, ich realne wdrożenie w sztucznie zaprojektowanych urządzeniach pozostaje dużym wyzwaniem. W szczególności w dziedzinach Solar-to-X, biosensorów i bioelektroniki, kluczowym aspektem dla znacznej poprawy wydajności jest efektywne połączenie elektroniczne maszyn molekularnych (np. fotoenzymów, hydrogenaz i enzymów konwertujących dwutlenek węgla) z powierzchnią elektrody. Aby przezwyciężyć ograniczony transport elektronowy w abiotyczno-biotycznym interfejsie, powszechnie stosowane podejście opiera się na stosowaniu nadmiernych ilości toksycznych mediatorów redoks, ograniczając tym samym zrównoważony rozwój, długoterminową wydajność i przemysłowe wdrażanie takich urządzeń.
W tym kontekście, najnowszy artykuł opublikowany w prestiżowym czasopiśmie Materials Horizons Brytyjskiego Królewskiego Towarzystwa Chemicznego donosi o innowacyjnej strategii, ktorej zastosowanie skutkuje zwiększenie wydajności transferu elektronów we wpomnianym przewodzącym interfejsie pomiędzy abiotycznymi i biologicznymi komponentami urządzeń przetwarzających energię słoneczną. Nowa, przełomowa strategia polega na domieszkowaniu interfejsu molekularnego mediatorem węglowym, dimetanolem ferrocenu (Fc), stosowanym w minimalnych stężeniach (nM).
Dzięki racjonalnemu zaprojektowaniu interfejsu molekularnego w celu kowalencyjnego unieruchomienia wysoko stabilnego biofotokatalizatora fotosystemu I (naturalny fotoenzym), odkryliśmy możliwość wychwycenia pojedynczych cząsteczek zrównoważonego i dość słabo zbadanego mediatora Fc w organicznym przewodzącym interfejsie między PSI a elektrodą. Tak utworzony nowatorski interfejs molekularny z unieruchomioną przestrzennie pochodną ferrocenu pozwolił nam poprawić długoterminową wydajność biohybrydowych ogniw slonecznych przez ponad 5 miesięcy.
Nasza nowatorska koncepcja “ograniczonego przestrzennie transferu elektronów” zapewnia zrównoważone podejście do maksymalizacji wydajności urządzeń biosolarnych przy jednoczesnym uniknięciu szkodliwych skutków i konkurencyjnej interferencji zewnętrznych, zwykle toksycznych mediatorów redoks, co ma potencjalne zastosowanie w różnych dziedzinach, począwszy od biofotowoltaiki i produkcji paliw słonecznych, po biokatalizę i biosensing. Nasze odkrycie otwiera nową drogę do wydajnego połączenia biologicznych maszyn molekularnych z materiałami funkcjonalnymi, oferując tym samym prawdziwy przełom w opracowaniu opłacalnych, wysoce wydajnych technologii biomolekularnych.
Badania były zrealizowane pod kierunkiem dr Margot Jacquet i prof. Joanny Kargul z Laboratorium Fotosyntezy i Paliw Słonecznych w Centrum Nowych Technologii UW przy udziale badaczy z Wydziału Chemii/CNBCh UW, Wydziału Fizyki UW i Narodowej Rady Badań Naukowych Włoch (CNR).
Jacquet M., Izzo M., Wróbel P., Strawski M., Trotta M., Jurczakowski. R, Kargul J.
Space-Confined Mediation of Electron Transfer for Efficient Biomolecular Solar Conversion.
(2025) Mater. Horizons, accepted.
DOI: 10.1039/D4MH01266F