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前沿 | 只消耗二氧化碳和水的理想燃料,你听说过吗?

我国科学家成功合成水裂解生物催化剂
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- 导语 -

化学家们想出了一种模仿树叶光合作用的原理,将水和二氧化碳转化为我们所需要燃料的技术。

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在周末宁静的午后,美国加州大学校园中只有桉树叶发出的沙沙声响,在阳光照射下,一片片树叶中正在剧烈的发生着光合作用。伴随着太阳能的转换,空气中的二氧化碳被转变为植物所需要的能量,并源源不断的产生着氧气。

这所学校中,华人化学家杨培东正在努力在一个实验室中重复着同样的事情。他们利用纳米线和工程菌打造成类似植物细胞的线粒体。如果一切顺利,不久后,一种只消耗二氧化碳的理想燃料将会诞生。

创造一个人工植物细胞的线粒体?这看似天方夜谭,事实上,光合作用的全程确实很难被复制到实验室中。其实,在20世纪70年代,东京大学就有研究者做过这样的尝试。但研究者们只在实验室中复制了光合作用的第一步——将水电解为氢和氧。

杨培东的实验室就诞生于上世纪70年代,它的前身是“国家可再生能源实验室”。这里坐落的实验设备看起来并不复杂——两个对光线十分敏感的电极,表面覆盖有镍做成的催化剂。而实验原理也很简单——电极通电后会将水电解成氢和氧。

为了提高反应效率,在通电时,电极被水平放置;由于在一个空间中,纳米线阵列电极排成的的表面积是一般电极的100倍,因而容纳更多的催化剂,这些措施使反应效率比一般的电解制氢反应更高。

然而,电解制氢只是光合作用最简单的一个环节,真正的光合作并没那么简单。如何将电解出来的氢与空气中的二氧化碳反应形成更复杂的化合物这是个难题,毕竟大部分车烧的不是氢气,烧的是汽油柴油。

这使得另一种技术被采用——一种寄生在纳米线上的基因工程菌。在研究员们眼中,这种菌就是“活的催化剂”。在天然酶的作用下,工程菌可以实现传统化学物质所不能完成的步骤,使整个实验更接近光合作用,它们吸收水电解后制得的氢与空气中的二氧化碳,经过反应最终产生甲烷以及燃料、塑料所需的碳氢化合物。

目前,这套系统的效率已基本接近植物的光合作用,它能够对近1%的太阳能予以转化并以化学键的形式储存。

不过,当下最主要是如何使技术更为廉价。对于研究团队来说,他们希望将化合物代替工程菌作为催化剂,毕竟工程菌的培养具有一定风险。“但是也没必要完全将这些工程菌取代。毕竟最终产品应当是一种集成各类技术而制成的清洁燃料。”杨培东表示。

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