Молекула на четыре заряда: как швейцарские химики приблизили искусственный фотосинтез

Энергия в химических связях

Природа решила задачу накопления солнечной энергии 3,5 миллиарда лет назад, когда цианобактерии научились расщеплять воду на кислород и водород с помощью фотосинтеза. Теперь человечество пытается воссоздать этот процесс искусственно — и в августе 2025 года швейцарские химики сделали важный шаг вперёд.

Команда профессора Оливера Венгера из Базельского университета синтезировала молекулу, которая может одновременно хранить четыре электрических заряда (два положительных и два отрицательных) под воздействием обычного света. Результаты опубликованы в журнале Nature Chemistry, и это достижение решает одну из фундаментальных проблем искусственного фотосинтеза: многоэлектронный перенос при мягких условиях.

Почему это важно за пределами лабораторий? Глобальное потребление энергии достигло 580 экзаджоулей в год, и 80% этой энергии до сих пор поступает из ископаемого топлива. Искусственный фотосинтез предлагает радикальную альтернативу: превращать воду и углекислый газ в водород или углеводороды, используя только солнечный свет в качестве источника энергии. Рынок зелёного водорода, одного из прямых продуктов искусственного фотосинтеза, по прогнозам достигнет $30,6 млрд к 2030 году при среднегодовом темпе роста 61%.

Архитектура молекулярного аккумулятора

Двухступенчатый механизм накопления

Ключевое инновация команды Венгера — использование двухэтапного процесса для генерации зарядов. Первый световой импульс попадает на молекулу и запускает реакцию разделения зарядов: один положительный и один отрицательный заряд перемещаются к противоположным концам молекулы. Второй импульс света повторяет процесс, удваивая количество накопленных зарядов.

Докторант Матис Брендлин объясняет критическое отличие от предыдущих разработок: "Ранее для генерации зарядов требовался сверхмощный лазерный свет, что делало технологию непрактичной. Мы добились того, чтобы заряды оставались стабильными достаточно долго для последующих химических реакций при обычной интенсивности освещения".

Эта стабильность — результат тщательного молекулярного дизайна. Структура включает фотосенсибилизатор (поглощает свет и генерирует возбуждённые электроны), донор электронов и акцептор электронов, пространственно разделённые внутри одной молекулы. Расстояние между компонентами подобрано так, чтобы минимизировать обратный перенос электронов — процесс, который обычно "гасит" накопленные заряды за наносекунды.

Конвергенция трёх научных областей

Базельский прорыв стоит на пересечении нескольких дисциплин, каждая из которых переживает собственную революцию:

Супрамолекулярная химия: Конструирование сложных молекулярных архитектур с заданными свойствами. Последние достижения в органическом синтезе позволяют создавать молекулы с атомарной точностью, контролируя расположение каждого функционального центра.

Фотокатализ: Параллельно с работой швейцарцев, китайские исследователи из Сямыньского университета в сентябре 2025 разработали трёхфазную систему фотокаталитического расщепления воды на основе гетероперехода CdS/CoFe2O4. Система показала скорость производства водорода 254,1 мкмоль/ч — в 7 раз выше традиционных жидкофазных методов. Ключевое отличие: реакция идёт в газовой фазе на фототермальной подложке, что резко ускоряет массоперенос.

Материаловедение энергетических систем: Разработка молекулярных систем тепловой аккумуляции (MOST — Molecular Solar Thermal Energy Storage) на основе норборнадиена показывает, что солнечная энергия может храниться в химических связях месяцами. Испанские исследователи в июле 2025 усовершенствовали синтез многофункциональных норборнадиенов с высокой растворимостью — критический параметр для коммерческого применения.

Сравнение с альтернативными подходами

Параллельно молекулярному дизайну развиваются биомиметические платформы. Китайская группа из университета Чжэцзян в августе 2024 создала гибридную систему на основе квантовых точек CdS, интегрированных в ферритин — природный белок для хранения железа. Эта "одномолекулярная" фотокаталитическая система способна селективно восстанавливать CO₂ в муравьиную кислоту (90% селективность) при скорости 800 мкмоль·г⁻¹·ч⁻¹, одновременно расщепляя воду с производством кислорода 180 мкмоль·г⁻¹·ч⁻¹.

Другой путь — использование перовскитных квантовых точек в сочетании с динуклеарными металлокомплексами. Работа октября 2024 показала, что двухкомпонентная система (неорганический фотосенсибилизатор + органический катализатор) позволяет проводить восстановление CO₂ без жертвенных доноров электронов, используя воду как единственный источник электронов. Выход CO: 105,24 мкмоль·г⁻¹·ч⁻¹.

Ключевое различие подходов: Базельская молекула — это полностью интегрированная система (фотосенсибилизатор + донор + акцептор) в одной молекуле. Это упрощает масштабирование и устраняет проблемы интерфейса между компонентами, которые возникают в гибридных нано-био системах.

Путь от лаборатории к водороду

Целевые приложения

Накопление четырёх зарядов — не самоцель, а необходимое условие для запуска ключевых реакций искусственного фотосинтеза. Две основные:

Расщепление воды (2H₂O → 2H₂ + O₂): Окисление воды требует удаления четырёх электронов и четырёх протонов — именно то, что обеспечивает базельская молекула. Полученный водород может использоваться напрямую в топливных элементах или для синтеза аммиака, метанола и других химических продуктов. Мировое производство водорода сейчас составляет 70 млн тонн в год, на 96% из ископаемого топлива. Зелёный водород через фотокатализ может заместить эту отрасль с нулевыми выбросами.

Восстановление CO₂: Превращение углекислого газа в метан, метанол или углеводороды — способ создания "солнечных топлив" и одновременно утилизации парниковых газов. Однако CO₂ — чрезвычайно стабильная молекула (энергия связи C=O составляет 532 кДж/моль), и для её активации нужны многоэлектронные процессы. Система четырёх зарядов даёт необходимую окислительно-восстановительную мощность.

Бизнес-модели и рынки

Потенциальные области коммерциализации распределяются по горизонту времени:

Ближайшие 3-5 лет: Использование в гибридных фотоэлектрохимических ячейках для производства водорода в децентрализованных системах. Компании вроде HyperSolar и Soletair Power уже разрабатывают прототипы панелей, производящих водород напрямую из солнечного света и воды. Базельская молекулярная система может улучшить эффективность катодов в таких устройствах.

5-10 лет: Интеграция в системы утилизации CO₂ на промышленных объектах. Цементные заводы, металлургические комбинаты и химические производства выбрасывают концентрированные потоки CO₂. Фотокаталитические реакторы на основе молекулярных систем могут конвертировать этот CO₂ в метанол или муравьиную кислоту прямо на месте. Рынок улавливания и утилизации углерода (CCU) оценивается в $1,5 млрд в 2025 и прогнозируется до $7 млрд к 2030.

10+ лет: Полностью автономные системы производства углеродно-нейтральных топлив из воздуха и воды. Это "святой Грааль" энергетики — устройство, которое поглощает CO₂ из атмосферы, расщепляет воду и производит синтетическое жидкое топливо, совместимое с существующей инфраструктурой двигателей и турбин. Военные и авиакосмические применения могут стать первыми нишами.

Инвестиции и экосистема стартапов

Сектор искусственного фотосинтеза привлёк $780 млн венчурного финансирования в 2024 году (рост на 34% по сравнению с 2023). Ключевые игроки:

Twelve (США): $645 млн совокупных инвестиций, включая раунд Series C в $200 млн (2023). Разработали процесс превращения CO₂ и воды в этилен — сырьё для пластиков. Партнёрство с Alaska Airlines для производства устойчивого авиационного топлива.

Syzygy Plasmonics (США): Использует плазмонные фотокатализаторы для производства водорода из метана без выбросов CO₂. Привлекли $76 млн, включая инвестиции от Chevron Technology Ventures.

Photanol (Нидерланды): Биогибридный подход — генетически модифицированные цианобактерии производят химикаты напрямую из CO₂ и света. Несмотря на прекращение операций в 2023, их технологическая база была приобретена LanzaTech.

Базельский университет пока не объявлял о планах спин-оффа, но исторически швейцарские университеты активно коммерциализируют исследования (примеры: Climeworks, Synhelion). Ожидается, что технология будет лицензирована химическим концернам или станет основой для нового стартапа в 2026-2027.

Что дальше: технологические вызовы

Следующие шаги команды Венгера

Профессор Венгер обозначил направление дальнейшей работы: интеграция молекулы с катализаторами расщепления воды. Это потребует разработки дополнительного молекулярного модуля — окислительного катализатора, который принимает четыре положительных заряда и использует их для окисления двух молекул воды.

Параллельно необходимо решить проблему восстановления протонов. Два отрицательных заряда в базельской молекуле должны восстанавливать протоны (H⁺) до молекулярного водорода (H₂). Для этого нужен восстановительный катализатор на основе недорогих металлов (кобальт, никель, железо), устойчивый к фотокоррозии.

Роль искусственного интеллекта

Конвергенция AI и молекулярного дизайна ускоряет разработку. Алгоритмы машинного обучения уже предсказывают свойства молекул-кандидатов, сокращая цикл "синтез-тестирование" с месяцев до недель. IBM Research и DeepMind применяют трансформерные модели для генерации молекулярных структур с заданными фотокаталитическими свойствами.

Квантовые вычисления могут внести вклад в моделирование многоэлектронных процессов. Классические компьютеры испытывают трудности с расчётами систем, где участвуют коррелированные электроны — именно то, что происходит при фотокатализе. Google Quantum AI и IonQ работают над квантовыми алгоритмами для химии материалов.

Сценарии развития

Оптимистичный (10-15% вероятность): Прорыв в стабильности молекулярных фотокатализаторов и квантовой эффективности >15% к 2028 году. Первые коммерческие панели для производства водорода появляются к 2030. К 2035 искусственный фотосинтез покрывает 5% мирового спроса на водород. Стоимость производства H₂ падает ниже $1/кг — паритет с серым водородом из природного газа.

Реалистичный (60-70% вероятность): Постепенное улучшение материалов и катализаторов. Пилотные установки появляются к 2032-2035, но широкое внедрение тормозится высокими капитальными затратами. Искусственный фотосинтез остаётся нишевым решением для специализированных применений (космос, военные базы, отдалённые регионы). Стоимость H₂: $2-3/кг к 2035.

Пессимистичный (15-20% вероятность): Фундаментальные ограничения фотостабильности органических молекул оказываются непреодолимыми. Технология остаётся в лабораториях, инвестиции перетекают в более зрелые альтернативы — электролиз с использованием возобновляемой электроэнергии. Молекулярный фотокатализ сохраняется только в академических исследованиях.

Стратегические выводы

Базельский прорыв — это не немедленное решение энергетического кризиса, но фундаментальный сдвиг в научном понимании. Возможность стабильно накапливать четыре заряда в одной молекуле при солнечном освещении открывает новые траектории для химии, материаловедения и энергетики.

Для инвесторов: Сектор искусственного фотосинтеза находится на стадии ранних технологий (TRL 3-5). Риски высоки, но потенциал многократный — создание совершенно новой индустрии производства топлив. Горизонт возврата инвестиций: 8-15 лет. Диверсификация между молекулярными, нано-гибридными и биологическими подходами снизит портфельные риски.

Для корпораций в энергетике и химии: Время для стратегических партнёрств с университетами и лицензирования IP. Компании, которые интегрируют фотокаталитические системы в существующие процессы (производство метанола, аммиака, очистка промышленных выбросов), получат конкурентное преимущество при ужесточении углеродного регулирования.

Для исследовательских организаций: Конвергенция AI, квантовых вычислений и экспериментальной химии — ключ к ускорению. Междисциплинарные команды (химики + специалисты по машинному обучению + инженеры-материаловеды) будут доминировать в следующей волне открытий.

Искусственный фотосинтез — это игра вдолгую. Но если природа смогла создать самовоспроизводящиеся системы, улавливающие и конвертирующие солнечный свет с эффективностью, которая питает всю биосферу, человечество имеет все шансы создать технологическую версию этого процесса. Каждый шаг — от четырёхзарядной молекулы до первого литра синтетического топлива — приближает нас к энергетической системе, основанной на неисчерпаемом источнике: Солнце.