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来源：新材料在线 | 发表时间：2015-04-21
摘要 美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校(UC)的科学家们近期利用半导体纳米线和细菌，开发出一个混合动力系统。该系统模仿自然界的光合作用（即植物利用阳光的能量，使得二氧化碳和水转化为碳水化合物），利用人工光合系统将二氧化碳和水转化为醋酸，醋酸是现今最常见的生物体构建块。
人工光合作用由太阳能供电，可以在二氧化碳排放入大气之前，将其转化为有价值的化工产品，包括生物可降解塑料、药品甚至液体燃料。这项技术将改变光合作用的壁垒，实现人与环境的双赢。图片来源：Caitlin Givens。
美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校(UC)的科学家们近期利用半导体纳米线和细菌，开发出一个混合动力系统。该系统模仿自然界的光合作用（即植物利用阳光的能量，使得二氧化碳和水转化为碳水化合物），利用人工光合系统将二氧化碳和水转化为醋酸，醋酸是现今最常见的生物体构建块。 伯克利实验室材料科学部门化学家，同时也是该项研究的领导人之一的Peidong Yang说： “我相信，这个系统是一项革命性的人工光合作用系统。该系统可能从根本上改变化学和石油工业的前景。在未来，我们可以简便地生产出完全可再生化学品和燃料，从而避免了深度挖掘燃料的困难。”
这个突破性的人工光合作用系统分成四个部分:(1)收集太阳能，(2)生成减少等价物，(3)减少二氧化碳生物合成的中间体，(4)产生增值的化学物质。 Yang同时也受命于加州大学伯克利分校和Kavli能源纳米科学研究所(Kavli-ENSI)，作为文章的三位作者之一（另外两位分别是化学家Christopher Chang和Michelle Chang），将这项研究的一篇论文发表在《纳米快报》上。文章题目为“纳米线-细菌混合动力系统无需太阳能，将二氧化碳转化为可增值的化学物质“。Christopher Chang和Michelle Chang也受命于伯克利实验室和加州大学伯克利分校。此外，Christopher Chang还是霍华德休斯医学研究所（HHMI）的研究员。 二氧化碳的排放是的大气的温室效应加剧，大气中二氧化碳目前的含量是地球三百万年来的最高水平，这是燃烧化石燃料的结果。化石燃料，特别是煤炭，在未来仍将是重要的满足人类需要的能源。固碳技术可以减少大气中的二氧化碳含量，但二氧化碳需要存储，这是固碳技术的壁垒。 伯克利分校的研究人员正在开发人工光合作用技术，以此来解决存储二氧化碳的问题。
作为碳催化剂和能源转换的专家，Chris Chang说： “自然界的光合作用，利用叶子吸收太阳能，吸收二氧化碳和水合成生命物质。在我们研究的系统中，纳米线吸收太阳能供给电子细菌，利用二氧化碳和水结合合成各种目标产物，即有附加值的化工产品。” 通过在生物相容性聚光纳米线阵列中排布细菌，这种新型的人工光合作用系统为减少大气中的二氧化碳含量，即绿色化学，开辟了一个双赢的局面。 生物合成专家Michelle 说：“我们的系统属于新兴的材料科学和生物学领域的交叉学科，期待利用各学科的优势，开发出具有新功能的设备。就像复活节上各种彩蛋埋在高高的草丛中一样，纳米线阵列的形成可以保护细菌，使得这些氧气敏感型生物可以在二氧化碳含量较高的环境中（如烟道气体）生存。” Yang说：“我们的研究系统就像一个人工森林。纳米线异质结构是由硅和氧化钛组成的纳米线。这个人工森林类似于绿色植物的叶绿体。一旦吸收阳光，硅和氧化钛纳米线中的电子−空穴对激活，可以吸收不同波长的太阳光谱。硅纳米线中的电子−空穴对可以减少二氧化碳，氧化钛纳米线中的电子−空穴对可以分解水分子。” 一旦开发出纳米线阵列的人工森林，填充在其中的微生物种群可以依据不同的酶，选择性地催化减少二氧化碳。在这项研究中，伯克利的研究小组利用的是Sporomusa ovata，一种厌氧细菌。该细菌可以从周围环境中接受电子。以此来减少二氧化碳。 Michelle Chang说：”之所以选择Sporomusa ovata催化剂，是因为它可以将二氧化碳转化为醋酸，一种多样的化学中间体，进而可以制造出于制造出各种各样有用的化学物质。使用缓冲咸水和微量维生素作为唯一的有机组成部分，我们能够将Sporomusa ovata均匀地填充在纳米线阵列中。”
如图所示为纳米线混合细菌的横截面的SEM图。 一旦二氧化碳的含量减少，说明s. ovata正在不断的生成醋酸(或其他生物合成中间体)，利用大肠杆菌进一步合成目标化工产品。化工产品的收益率取决于s. ovata和大肠杆菌。在未来，这两项活动——催化和合成，可以经过一步完成。 人工光合作用系统的关键是纳米线/细菌混合动力技术中光捕捉效率和催化剂的催化活性。使用这种技术，伯克利团队在200小时的模拟太阳光下的太阳能转换效率高达0.38，和一片树叶无差。生成的目标化学物质产出率也很高，丁醇（类似于汽油的燃料）含量高达26%，、盘尼西林（一种抗生素）的含量达25%，可再生和生物可降解的塑料PHB含量达到52%。预计经过改进，该系统的性能将得到进一步提高。 Yang说：“我们正在正在研发的第二代系统太阳能-化学能的转换效率为百分之三。“一旦转换效率达到10%，该技术就可以作为一项有开发前景的应用，进行商业化推广。” 除了这几位作者，该文章的共同作者还有Chong Liu，Joseph Gallagher，Kelsey Sakimoto 和 Eva Nichols。 |
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