在人工光協(xié)作用研討范疇,也許迎來一次改動游戲規(guī)則的打破:開宣布一種二氧化碳捕獲體系,并運用太陽能將捕獲的二氧化碳轉化成有價值的化學商品,包含可生物降解塑料、藥物甚至液體燃料。
植物能運用光能把二氧化碳和水構成碳水化合物。美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分??茖W家協(xié)作,開宣布一種由半導體納米線和細菌構成的混合體系,能模仿天然界植物的這種光協(xié)作用進程。有關論文宣布在最近的《納米快報》雜志上。
“咱們信任,這一體系是人工光協(xié)作用范疇的一次革命性騰躍,有望從根本上改動化學和石油工業(yè)?!毖杏懾撠熑酥?、伯克利實驗室資料科學部化學家楊培東(音譯)說,“咱們能以徹底可再生的方法生產出化學品和燃料,而不是從地底深處獲取它們?!?/span>
太陽能綠色化工
釋放到大氣層中的二氧化碳越多,大氣就會越暖?,F(xiàn)在地球大氣中二氧化碳濃度已達到近300萬年來的最高水平,這主要是化石燃料焚燒的成果。而在可預見的將來,化石燃料,尤其是煤炭,仍是滿意人類所需能量的最大來歷。大家一直在尋覓在二氧化碳進入大氣之前將其阻隔的技能,但所有這些技能都需要把捕獲的碳存儲起來,這么做自身也帶來了環(huán)境挑戰(zhàn)。
伯克利研討人員開發(fā)的人工光協(xié)作用技能處理了存儲疑問,一起也非常好地運用了捕獲的二氧化碳?!霸谔烊坏墓鈪f(xié)作用中,樹葉會搜集太陽能復原二氧化碳,與水聯(lián)系,經(jīng)過分子構成生物質,”論文作者之一,霍華德·休斯醫(yī)學研討所研討碳中和能量轉化催化劑方面的專家克莉絲·張說,“在咱們的體系中,納米線會搜集太陽能并把電子傳遞給細菌,細菌將二氧化碳復原并與水聯(lián)系,從而構成多種高附加值的化學商品?!?/span>
這是一種新式人工光協(xié)作用體系,把生物適應性光捕獲納米線陣列和挑選出來的細菌群聯(lián)系在一起,供給了一種環(huán)境雙贏形式:運用阻隔二氧化碳的太陽能綠色化工。
資料學與生物學聯(lián)合
“咱們的體系代表了資料學和生物學之間新式的聯(lián)合,這一聯(lián)合范疇也為開發(fā)新的功能設備供給了廣闊時機。”研討小組的生物構成專家米歇爾·張說,“比方,納米線陣列的形狀構造要能保護細菌,就像埋在高草叢中的復活節(jié)雞蛋那樣,如此才能使對氧氣靈敏的微生物在充溢二氧化碳的環(huán)境中生存下來,比方在煙道氣體中?!?/span>
這一體系前期由楊培東的研討小組開發(fā),開端就像一片奇異的“人工森林”,由硅和二氧化鈦納米線構成。
“咱們的人工森林就像綠色植物中的葉綠體?!睏钫f,“當陽光被吸收,光子在硅和二氧化鈦納米線中激起發(fā)生電子—空穴對,吸收不同頻率的太陽光譜。光子發(fā)生的電子在硅中被傳遞給細菌用于復原二氧化碳,光子發(fā)生的空穴在二氧化鈦中將水分子分化,發(fā)生氧氣?!?/span>
納米線陣列森林建成后,變成一種微生物群落的棲息地,這些微生物群落能發(fā)生特別的酶,挑選性地催化復原二氧化碳。在這一研討中,伯克利小組用的是一種叫做卵形鼠孢菌的厭氧菌,這種菌能很簡單地直接從周圍環(huán)境中取得電子,復原二氧化碳。
“鼠孢菌是非常好的二氧化碳催化劑,一起生成醋酸鹽,這是一種多功能化學中間體,能夠制作多種有用的化學商品,”米歇爾·張說?!斑\用緩沖半咸水和少數(shù)維生素,咱們能夠在納米線陣列中統(tǒng)一‘進駐’鼠孢菌?!?/span>
當鼠孢菌把二氧化碳復原成醋酸鹽(或其它生物構成中間體)后,再由轉基因大腸桿菌將其構成特別的化學品。在他們的研討中,為了進步方針化學品產值,把鼠孢菌和大腸桿菌別離開來。將來催化與構成這兩步能夠合并為一個進程。
將來商業(yè)化展望
研討人員指出,他們的人工光協(xié)作用體系成功的關鍵是別離方針要求,將進步光捕獲功率和進步催化活性分隔,納米線/細菌混合技能使之變成也許。經(jīng)過這種方法,伯克利小組在模仿陽光下完成的太陽能轉化功率為0.38%,持續(xù)約200小時,與天然界中的樹葉相仿。
他們用醋酸鹽制作的定向化學品產值也得到進步——高達26%的丁醇(一種相似汽油的燃料)、25%的青蒿二烯(一種抗瘧藥青蒿素的前體)和52%的可再生生物降解塑料PHB。跟著該技能進一步精粹,估計體系的功能還會進步。
“現(xiàn)在咱們正在研討第二代體系,把從太陽能到化學商品的轉化功率進步到3%,”楊說,“等咱們在成本效益上達到了10%的轉化率,把這一技能面向商業(yè)化就切實可行了?!?/span>
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