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面向未來的太陽能綠色化工
來源:未知??日期:2015-05-13
面向未來的太陽能綠色化工，感覺這是一個為人民造福的工程
——人工光合作用重大進步有望實現(xiàn)人與環(huán)境雙贏
在人工光合作用研究領域，可能迎來一次改變游戲規(guī)則的突破：開發(fā)出一種二氧化碳捕獲系統(tǒng)，并利用太陽能將捕獲的二氧化碳轉化成有價值的化學產(chǎn)品，包括可生物降解塑料、藥物甚至液體燃料。
植物能利用光能把二氧化碳和水合成碳水化合物。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家合作，開發(fā)出一種由半導體納米線和細菌構成的混合系統(tǒng)，能模擬自然界植物的這種光合作用過程。相關論文發(fā)表在***近的《納米快報》雜志上。
“我們相信，這一系統(tǒng)是人工光合作用領域的一次革命性飛躍，有望從根本上改變化學和石油工業(yè)。”研究負責人之一、伯克利實驗室材料科學部化學家楊培東(音譯)說，“我們能以完全可再生的方式生產(chǎn)出化學品和燃料，而不是從地底深處提取它們。”
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。目前地球大氣中二氧化碳濃度已達到近300萬年來的***高水平，這主要是化石燃料燃燒的結果。而在可預見的未來，化石燃料，尤其是煤炭，仍是滿足人類所需能量的***大來源。人們一直在尋找在二氧化碳進入大氣之前將其隔離的技術，但所有這些技術都需要把捕獲的碳存儲起來，這樣做本身也帶來了環(huán)境挑戰(zhàn)。
伯克利研究人員開發(fā)的人工光合作用技術解決了存儲問題，同時也更好地利用了捕獲的二氧化碳。“在自然的光合作用中，樹葉會收集太陽能還原二氧化碳，與水結合，通過分子合成生物質，”論文作者之一，霍華德·休斯醫(yī)學研究所研究碳中和能量轉化催化劑方面的專家克莉絲·張說，“在我們的系統(tǒng)中，納米線會收集太陽能并把電子傳遞給細菌，細菌將二氧化碳還原并與水結合，從而合成多種高附加值的化學產(chǎn)品。”
這是一種新型人工光合作用系統(tǒng)，把生物適應性光捕獲納米線陣列和挑選出來的細菌群結合在一起，提供了一種環(huán)境雙贏模式：利用隔離二氧化碳的太陽能綠色化工。
材料學與生物學聯(lián)合
“我們的系統(tǒng)代表了材料學和生物學之間新興的聯(lián)合，這一聯(lián)合領域也為開發(fā)新的功能設備提供了廣闊機會。”研究小組的生物合成專家米歇爾·張說，“比如，納米線陣列的形態(tài)結構要能保護細菌，就像埋在高草叢中的復活節(jié)雞蛋那樣，如此才能使對氧氣敏感的微生物在充滿二氧化碳的環(huán)境中生存下來，比如在煙道氣體中。”
這一系統(tǒng)早期由楊培東的研究小組開發(fā)，開始就像一片奇異的“人造森林”，由硅和二氧化鈦納米線組成。
“我們的人造森林就像綠色植物中的葉綠體。”楊說，“當陽光被吸收，光子在硅和二氧化鈦納米線中激發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對，吸收不同頻率的太陽光譜。光子產(chǎn)生的電子在硅中被傳遞給細菌用于還原二氧化碳，光子產(chǎn)生的空穴在二氧化鈦中將水分子分解，產(chǎn)生氧氣。”
納米線陣列森林建成后，成為一種微生物群落的棲息地，這些微生物群落能產(chǎn)生特殊的酶，選擇性地催化還原二氧化碳。在這一研究中，伯克利小組用的是一種叫做卵形鼠孢菌的厭氧菌，這種菌能很容易地直接從周圍環(huán)境中獲得電子，還原二氧化碳。
“鼠孢菌是非常好的二氧化碳催化劑，同時生成醋酸鹽，這是一種多功能化學中間體，可以制造多種有用的化學產(chǎn)品，”米歇爾·張說。“使用緩沖半咸水和少量維生素，我們可以在納米線陣列中統(tǒng)一‘進駐’鼠孢菌。”
當鼠孢菌把二氧化碳還原成醋酸鹽(或其它生物合成中間體)后，再由轉基因大腸桿菌將其合成特殊的化學品。在他們的研究中，為了提高目標化學品產(chǎn)量，把鼠孢菌和大腸桿菌分離開來。將來催化與合成這兩步可以合并為一個過程。
未來商業(yè)化展望
研究人員指出，他們的人工光合作用系統(tǒng)成功的關鍵是分離目標要求，將提高光捕獲效率和提高催化活性分開，納米線/細菌混合技術使之成為可能。通過這種方式，伯克利小組在模擬陽光下實現(xiàn)的太陽能轉化效率為0.38%，持續(xù)約200小時，與自然界中的樹葉相仿。
他們用醋酸鹽制造的定向化學品產(chǎn)量也得到提高——高達26%的丁醇(一種類似汽油的燃料)、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。隨著該技術進一步精煉，預計系統(tǒng)的性能還會提高。
“目前我們正在研究第二代系統(tǒng)，把從太陽能到化學產(chǎn)品的轉化效率提高到3%，”楊說，“等我們在成本效益上達到了10%的轉化率，把這一技術推向商業(yè)化就切實可行了。”