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面向未来的太阳能绿色化工

2019-10-09 18:36:38来源:励志吧0次阅读

在人工光合作用研究领域,可能迎来一次改变游戏规则的突破:开发出一种二氧化碳捕获系统,并利用太阳能将捕获的二氧化碳转化成有价值的化学产品,包括可生物降解塑料、药物甚至液体燃料。

植物能利用光能把二氧化碳和水合成碳水化合物。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校科学家合作,开发出一种由半导体纳米线和细菌构成的混合系统,能模拟自然界植物的这种光合作用过程。相关论文发表在最近的《纳米快报》杂志上。

“我们相信,这一系统是人工光合作用领域的一次革命性飞跃,有望从根本上改变化学和石油工业。”研究负责人之一、伯克利实验室材料科学部化学家杨培东(音译)说,“我们能以完全可再生的方式生产出化学品和燃料,而不是从地底深处提取它们。”

太阳能绿色化工

释放到大气层中的二氧化碳越多,大气就会越暖。目前地球大气中二氧化碳浓度已达到近300万年来的最高水平,这主要是化石燃料燃烧的结果。而在可预见的未来,化石燃料,尤其是煤炭,仍是满足人类所需能量的最大来源。人们一直在寻找在二氧化碳进入大气之前将其隔离的技术,但所有这些技术都需要把捕获的碳存储起来,这样做本身也带来了环境挑战。

伯克利研究人员开发的人工光合作用技术解决了存储问题,同时也更好地利用了捕获的二氧化碳。“在自然的光合作用中,树叶会收集太阳能还原二氧化碳,与水结合,通过分子合成生物质,”论文作者之一,霍华德·休斯医学研究所研究碳中和能量转化催化剂方面的专家克莉丝·张说,“在我们的系统中,纳米线会收集太阳能并把电子传递给细菌,细菌将二氧化碳还原并与水结合,从而合成多种高附加值的化学产品。”

这是一种新型人工光合作用系统,把生物适应性光捕获纳米线阵列和挑选出来的细菌群结合在一起,提供了一种环境双赢模式:利用隔离二氧化碳的太阳能绿色化工。

材料学与生物学联合

“我们的系统代表了材料学和生物学之间新兴的联合,这一联合领域也为开发新的功能设备提供了广阔机会。”研究小组的生物合成专家米歇尔·张说,“比如,纳米线阵列的形态结构要能保护细菌,就像埋在高草丛中的复活节鸡蛋那样,如此才能使对氧气敏感的微生物在充满二氧化碳的环境中生存下来,比如在烟道气体中。”

这一系统早期由杨培东的研究小组开发,开始就像一片奇异的“人造森林”,由硅和二氧化钛纳米线组成。

“我们的人造森林就像绿色植物中的叶绿体。”杨说,“当阳光被吸收,光子在硅和二氧化钛纳米线中激发产生电子—空穴对,吸收不同频率的太阳光谱。光子产生的电子在硅中被传递给细菌用于还原二氧化碳,光子产生的空穴在二氧化钛中将水分子分解,产生氧气。”

纳米线阵列森林建成后,成为一种微生物群落的栖息地,这些微生物群落能产生特殊的酶,选择性地催化还原二氧化碳。在这一研究中,伯克利小组用的是一种叫做卵形鼠孢菌的厌氧菌,这种菌能很容易地直接从周围环境中获得电子,还原二氧化碳。

“鼠孢菌是非常好的二氧化碳催化剂,同时生成醋酸盐,这是一种多功能化学中间体,可以制造多种有用的化学产品,”米歇尔·张说。“使用缓冲半咸水和少量维生素,我们可以在纳米线阵列中统一‘进驻’鼠孢菌。”

当鼠孢菌把二氧化碳还原成醋酸盐(或其它生物合成中间体)后,再由转基因大肠杆菌将其合成特殊的化学品。在他们的研究中,为了提高目标化学品产量,把鼠孢菌和大肠杆菌分离开来。将来催化与合成这两步可以合并为一个过程。

未来商业化展望

研究人员指出,他们的人工光合作用系统成功的关键是分离目标要求,将提高光捕获效率和提高催化活性分开,纳米线/细菌混合技术使之成为可能。通过这种方式,伯克利小组在模拟阳光下实现的太阳能转化效率为0.38%,持续约200小时,与自然界中的树叶相仿。

他们用醋酸盐制造的定向化学品产量也得到提高——高达26%的丁醇(一种类似汽油的燃料)、25%的青蒿二烯(一种抗疟药青蒿素的前体)和52%的可再生生物降解塑料PHB。随着该技术进一步精炼,预计系统的性能还会提高。

“目前我们正在研究第二代系统,把从太阳能到化学产品的转化效率提高到3%,”杨说,“等我们在成本效益上达到了10%的转化率,把这一技术推向商业化就切实可行了。”

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