最近，美国能源部（DOE）下属的国家可再生能源实验室（NREL）在这个领域内取得了突破。NREL的Paul W. King博士和多所大学合作，在《Science》杂志上报道了一种“纳米+生物”技术，可利用光能固氮。他们使用硫化镉（CdS）纳米晶体吸收光能，驱动固氮酶在细胞外将氮气转化为氨。（Light-driven dinitrogen reduction catalyzed by a CdS:nitrogenase MoFe protein biohybrid. Science, DOI: 10.1126/science.aaf209）

研究人员在这项研究中测试了多种氧化还原活性的纳米晶体，最终选定了硫化镉（cadmium sulfide，CdS）纳米晶体，它可以高效的捕获光能并将电子传递到固氮酶复合物中的一个蛋白单元——钼铁蛋白（molybdenum-iron protein），钼铁蛋白再利用这些电子将氮气转化为氨（见下图）。也就是说，硫化镉纳米晶体捕获的光能，代替了自然过程中的ATP化学能，这也意味着可以使用太阳能来驱动固氮产氨。在最佳条件下，整个反应的转换率（turnover rate）为75/min，是自然条件下细菌固氮反应速率的63%。

图片来源：Al Hicks/National Renewable Energy Laboratory

尽管这一方法的效率远远比不上工业上成熟的哈伯法，但是这一方法使用太阳能不依赖化石燃料、不排放温室气体、条件温和，无疑更适合可持续发展。“哈伯法目前消耗世界化石燃料供应的两成左右，”参加了此项研究的犹他州立大学Lance Seefeldt教授说，“所以，这项新工艺采用纳米材料捕获光能，或许能改变游戏规则。”

加州大学伯克利分校的华人大牛杨培东教授也曾使用硫化镉纳米晶体，将非光合作用的细菌改造成一种可以进行光合作用的系统，可将二氧化碳还原成乙酸（相关报道），他高度评价了这个“纳米+生物”的新技术。“通过传统方法还原类似氮气和二氧化碳的小分子是很难实现的，”他说，“但这个方法抓住了两大尖端技术的优势：纳米半导体结构卓越的光捕获能力，以及生物系统的强大催化能力。”

1. http://science.sciencemag.org/content/352/6284/448

2. http://cen.acs.org/articles/94/i17/Light-sparks-conversion-dinitrogen-ammonia.html

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