Батарейка из вольфрама: CO₂ и вода превращаются в топливо светом

Зачем это важно

Каждый год человечество выбрасывает в атмосферу более 37 миллиардов тонн углекислого газа. Параллельно мы сжигаем нефть, превращая её в бензин, керосин и дизель — топливо, без которого не летают самолёты и не ходят корабли. А что, если можно замкнуть этот круг — взять CO₂ из воздуха, добавить воду и солнечный свет и получить сырьё для того же бензина?

Именно это попытались сделать учёные из Китайской академии наук и Гонконгского университета науки и технологий. В статье, опубликованной в Nature Communications 31 января 2026 года, команда Юй Хуана представила фотокатализатор, который превращает CO₂ и воду в монооксид углерода (CO) — ключевой «строительный блок» для синтеза жидкого топлива. И делает это, копируя один из самых изящных трюков живой природы.

Основная идея

Растения занимаются конверсией CO₂ уже более трёх миллиардов лет. В хлоропластах свет расщепляет воду, а полученные электроны передаются по цепочке переносчиков к молекулам CO₂, превращая их в органику. Одно из ключевых звеньев этой цепи — молекула пластохинон, которая работает как «перевалочная база» для электронов: накапливает их, когда света много, и отдаёт, когда нужно.

Пластохинон — молекула-переносчик электронов в хлоропластах растений. Принимает электроны от фотосистемы II и передаёт их дальше по цепи. Может временно «хранить» заряд, сглаживая разницу между скоростью поглощения света и скоростью химических реакций.

Авторы работы решили воспроизвести эту идею в неорганическом материале. Их «пластохинон» — это триоксид вольфрама (WO₃), модифицированный наночастицами серебра. Под действием света атомы вольфрама переходят из состояния W⁶⁺ в W⁵⁺, накапливая электроны, а затем отдают их обратно. Получается своеобразная «зарядовая батарейка» — charge reservoir, как называют её авторы.

Триоксид вольфрама (WO₃) — полупроводниковый оксид, поглощающий видимый свет (до ~480 нм). Известен способностью менять валентное состояние вольфрама (W⁶⁺ ↔ W⁵⁺), что и делает его подходящим для роли «электронного буфера».

Как это работает

Система состоит из трёх компонентов, каждый с чёткой ролью:

Ag/WO₃ — зарядовый резервуар. Поглощает свет и накапливает электроны за счёт переходов W⁶⁺ → W⁵⁺. Наночастицы серебра усиливают разделение зарядов благодаря плазмонному эффекту.

CoPc (кобальтфталоцианин) — каталитический центр. Молекулярный катализатор, который непосредственно связывается с CO₂ и восстанавливает его до CO. Электроны из «резервуара» перетекают к CoPc, перехватывая фотогенерированные дырки и поддерживая высокую плотность электронов на активных центрах.

Вода — источник электронов. В отличие от большинства аналогичных систем, здесь не используются органические «жертвенные» реагенты вроде триэтаноламина (TEOA), которые полностью расходуются в процессе. Вода окисляется, отдавая электроны.

Жертвенный реагент — вещество, которое необратимо окисляется, отдавая электроны для восстановления CO₂. Большинство фотокаталитических систем зависят от таких добавок. Работа без них — серьёзное достижение, приближающее технологию к практике.

Если провести аналогию с заводом: WO₃ — это аккумуляторная станция, серебро — трансформаторная подстанция, CoPc — сборочный цех, а вода — бесплатное сырьё, которое подвозят без ограничений.

Рис. 2: Характеризация катализатора. Рентгеновская дифракция (XRD), рамановская спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) и XANES подтверждают успешное формирование гетероструктуры CoPc/Ag/WO₃ и переходы W⁶⁺ → W⁵⁺. Источник: Huang et al., Nature Communications, 2026

Результаты

Катализатор CoPc/Ag/WO₃ показал скорость генерации CO около 1,5 ммоль на грамм CoPc в час — это в 100 раз больше, чем у чистого кобальтфталоцианина без подложки.

Для понимания масштаба: типичные CoPc-гетероструктуры выдают 0,1–0,3 ммоль/г/ч. Близкий конкурент — система CoPc на ковалентном триазиновом каркасе (CTF), опубликованная в том же Nature Communications в 2024 году — показала ~0,46 ммоль/г/ч. Авторы данной работы демонстрируют примерно трёхкратное преимущество.

Важная деталь: авторы заявляют универсальность подхода. Ag/WO₃ повышал эффективность не только CoPc, но и других активных компонентов, что указывает на работоспособность самой концепции «зарядового резервуара», а не удачный подбор одной конкретной пары.

Система	CO, ммоль/г/ч	Жертвенный реагент
CoPc/Ag/WO₃ (данная работа)	~1,5*	Нет (H₂O)
CoPc/CTF (Nat. Commun. 2024)	~0,46	Нет (KHCO₃)
Co-COF системы	1,6–16,4	Да (TEOA)
N-Cu₂O/кварц (arXiv 2025)	~0,17	Нет (H₂O)

*Нормировка на массу CoPc, а не всего катализатора — см. раздел «Критический взгляд».

Рис. 3: Результаты. Кинетика генерации CO, подтверждение происхождения углерода изотопной меткой ¹³CO₂, сравнительная диаграмма с другими фотокаталитическими системами. Источник: Huang et al., Nature Communications, 2026

Критический взгляд

Работа опубликована в рецензируемом журнале Nature Communications (рецензент — Mingwu Tan и анонимные эксперты). Тем не менее, ряд моментов заслуживает внимательного рассмотрения.

Сильные стороны:

• Работа без жертвенного реагента — редкость в поле, где 95% систем зависят от органических добавок
• Оригинальная биоинспирированная концепция с чётким разделением функций между компонентами
• Демонстрация универсальности подхода на нескольких активных компонентах

Ограничения:

• Нормировка производительности на массу CoPc, а не на массу всего катализатора. Если CoPc составляет, скажем, 5% от массы композита, реальная производительность в расчёте на грамм катализатора будет ~0,075 ммоль/г/ч — результат куда более скромный
• WO₃ поглощает свет только до ~480 нм (ширина запрещённой зоны ~2,6–2,8 эВ). Это лишь 6–8% солнечного спектра — солнечная эффективность системы будет крайне низкой
• Квантовый выход (AQE) не вынесен как заголовочная цифра. Для систем без жертвенного реагента он типично составляет менее 1%
• Данные о долгосрочной стабильности катализатора в статье не акцентированы. Серебро склонно к окислению и агрегации, CoPc — к дезактивации

Открытые вопросы:

• Подтверждена ли эволюция кислорода (O₂) в стехиометрическом соотношении с CO? Без этого нельзя исключить, что электроны берутся не из воды, а из поверхностных загрязнений
• Каков реальный вклад плазмонного эффекта наночастиц серебра по сравнению с механизмом валентных осцилляций вольфрама?

Важно: аналогия с пластохиноном — красивая, но имеет пределы. Пластохинон — подвижная молекула, которая физически перемещается между белковыми комплексами в мембране тилакоида. Атомы вольфрама в кристаллической решётке WO₃ никуда не двигаются. Параллель работает на уровне функции (временное хранение заряда), но не механизма.

Стоит также отметить системную проблему всей области фотокаталитического восстановления CO₂: без изотопной метки ¹³CO₂ невозможно однозначно доказать, что образовавшийся CO происходит именно из углекислого газа, а не из органических загрязнений катализатора.

Рис. 4: Механизм. Зонная диаграмма, ESR-спектры и данные транзиентной абсорбционной спектроскопии раскрывают роль валентных осцилляций вольфрама (W⁶⁺ ↔ W⁵⁺) в накоплении и передаче электронов. Источник: Huang et al., Nature Communications, 2026

Что дальше

Монооксид углерода (CO), который производит этот катализатор, сам по себе не является топливом. Это промежуточное звено — «строительный блок», из которого по уже отработанным промышленным технологиям можно получить бензин, керосин и дизель.

Существует два основных маршрута:

• Синтез Фишера-Тропша: CO + H₂ → жидкие углеводороды. Технология известна с 1920-х годов
• Через метанол: CO → метанол → бензин (MTG-процесс ExxonMobil). Уже работает в промышленном масштабе

Китай активно движется по обоим направлениям. Далянский институт химической физики (DICP CAS) запустил демонстрационный завод на 1000 тонн бензина в год из CO₂ — правда, с использованием термокатализа (Na-Fe₃O₄/HZSM-5) при высоких температурах и давлениях.

А швейцарская компания Synhelion в 2024 году ввела в строй завод DAWN в Германии, который производит синтетическое топливо из солнечного тепла при 1500°C. Первый коммерческий завод RISE мощностью 1000 тонн в год планируется в Испании к 2027 году.

Работа Хуана и коллег — другой подход: фотокаталитический, при обычных условиях, без экстремальных температур. До промышленного масштаба ей ещё далеко — нужно решить проблемы стабильности, квантового выхода и масштабирования. Но сама концепция «зарядовой батарейки» из вольфрама, копирующей логику фотосинтеза, открывает интересное направление для дальнейших исследований.

Полная цепочка «солнце → топливо» пока даёт лишь 13–20% КПД даже в лучших термохимических системах. Фотокатализ отстаёт ещё сильнее. Но именно так и развивается наука — от элегантного принципа к рабочей технологии, шаг за шагом.

Рис. 5: Универсальность и практические тесты. Механизм зарядового резервуара работает с различными каталитическими центрами (не только CoPc). Тесты на открытом воздухе подтверждают работоспособность системы под реальным солнечным светом. Источник: Huang et al., Nature Communications, 2026

Часто задаваемые вопросы

Может ли этот катализатор заменить нефтеперерабатывающие заводы?

Нет, пока это фундаментальное исследование. Катализатор производит CO — лишь промежуточный продукт, который затем нужно переработать в топливо. Текущие масштабы — миллиграммы катализатора в лабораторном реакторе. До промышленного применения потребуются годы работы над стабильностью, эффективностью и масштабированием.

Чем этот подход отличается от солнечных панелей + электролиз?

Солнечные панели вырабатывают электричество, которым можно расщеплять воду на водород, а затем из H₂ и CO₂ синтезировать топливо. Это двухступенчатый процесс. Фотокатализатор же делает всё в одном шаге — свет непосредственно запускает химическую реакцию. Преимущество — простота; недостаток — пока гораздо ниже эффективность.

Почему важно обходиться без жертвенных реагентов?

Жертвенные реагенты — это органические вещества, которые безвозвратно расходуются в реакции, отдавая электроны вместо воды. Они делают эксперименты проще, но лишают технологию практического смысла: если для производства «зелёного» топлива нужно сжигать другую органику, углеродный цикл не замыкается.

Что такое «строительный блок» для бензина?

CO (монооксид углерода) — это молекула из одного атома углерода и одного атома кислорода. Сама по себе она ядовита и не является топливом. Но при смешивании с водородом CO превращается в синтез-газ — сырьё, из которого по технологии Фишера-Тропша или через метанол можно собрать молекулы бензина, керосина и дизеля.

Действительно ли это «искусственный фотосинтез»?

Отчасти. Система копирует один конкретный элемент фотосинтеза — временное хранение электронов, как это делает пластохинон. Но настоящий фотосинтез — это десятки согласованных реакций с участием сотен белков. Данный катализатор выполняет лишь первый шаг: CO₂ → CO. До полного «искусственного листа», производящего готовое топливо из воздуха и воды, ещё очень далеко.