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Science重磅:新催化剂力挺人工光合作用,效率十倍于植物!

自然界中的光合作用是生物利用太阳能从二氧化碳(CO2)和水合成碳水化合物的过程,这一过程不但存储了太阳能,还固定了温室气体二氧化碳。不过,自然界的光合作用效率一般不高,大部分植物不会超过1%,就算是生物反应器条件下的微藻类,目前也超不过3%。科学家们一直希望能够“山寨”光合作用,用这个清洁、绿色的过程来减少二氧化碳并生产高价值化工产品,例如生物燃料、塑料等。人工光合作用的思路有多种,其中之一就是生物/无机材料混合系统。大牛杨培东教授曾用硫化镉纳米粒子改造非光合作用的细菌Moorella thermoaceticaScience, 2016, 351, 74-77),利用光能将将二氧化碳还原成乙酸(点击阅读详细)。


最近,哈佛大学Pamela A. Silver教授Daniel G. Nocera教授等人在《Science》报道了他们在人工光合作用方向上的重大突破,开发了一种基于新型钴-磷(Co-P)水分解催化剂和细菌Ralstonia eutropha的高效率人工光合作用系统。利用太阳能,前者可以将水分解成氢气和氧气,而后者可以利用氢气并消耗二氧化碳生产生物质或生物燃料。整个人工光合作用系统的效率可达10%,是植物系统的十倍Chong LiuBrendan C. Colón为本文的共同第一作者。(Water splitting-biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis. Science, 2016, 352, 1210-1213, DOI: 10.1126/science.aaf5039)


Pamela A. Silver教授(左)和Daniel G. Nocera教授(右)。图片来源:Harvard University


Nocera教授最初的人工光合系统“人工树叶”初建于2011年,利用阳光分解水产生O2和H2Science, 2011, 334, 645-648)。H2可用于燃料电池产生电能,但气体的能量密度太低,研究人员希望由H2和CO2反应制备能量密度更高的液态有机物。去年,Nocera课题组实现了这一目标,采用的策略正是“水分解催化剂+细菌”的策略,水分解得到的H2被细菌利用,以CO2为原料生产了异丙醇(Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 2015, 112, 2337-2342)。不过这一系统所用的水分解催化剂是镍合金,水分解过程会产生对细菌致命的活性氧族,解决方案只能是提高电压减少活性氧族的产生。系统的效率也不高,只有3.2%。


在这项工作中,Nocera课题组找到了生物相容性更好的水分解催化剂,他们发现新的钴-磷(Co-P)催化剂(下图A)不会产生活性氧族(下图D),这意味着水分解的操作电压可以大大降低,而能量转化效率可以大大提高。另外,在氧气存在的开放环境中,整个系统也可以利用低浓度的二氧化碳正常工作,这意味着这个系统可以利用大气中的二氧化碳,而非有些系统所需要的高纯度二氧化碳。


实验证实,该系统可以生产聚三羟基丁酸酯(poly(3-hydroxybutyrate), PHB)和C3-C5醇类(如下图)。在生产细菌生物质和液体醇燃料时,每消耗1千瓦时的电能可以转化180 g的CO2,即,CO2还原能量效率约为50%。该系统可使用现有的太阳能光伏器件供电,整体来算,利用太阳能的CO2还原能量效率最高可达约10%,是植物光合系统的十倍。也就是说,这一系统可以和现有的太阳能、风能、潮汐能等可再生能源发电系统联用,将多余电能转换为化学能储存,有希望解决可再生能源发电供电不稳定的问题。


“我已经成为他们的‘铁粉’了,”加州大学伯克利分校的化学生物学家、太阳能电池专家Chris Chang高度评价这一成果,他并未参与此项研究,“这很好地证明了我们可以获得更高的太阳能转换效率。”


Nocera教授介绍工作内容(建议在WIFI环境观看视频)



这项技术看起来的确很吸引人,利用廉价的催化剂和可以大量扩增的细菌,仅仅依靠阳光、水和空气中的二氧化碳就能生产燃料。但Nocera教授还是提醒道,太阳能燃料想要将化石燃料“赶下王位”仍然还有很长的路要走,“它和石油开采还没法比。”但他还补充道,太阳能燃料在未来应该可以帮助很多人,尤其是发展中国家的人们。他的研究小组已经在印度开始了尝试,希望能将这一技术实用化。


1. http://science.sciencemag.org/content/352/6290/1210

2. http://www.sciencemag.org/news/2016/06/microbe-linked-solar-panels-are-better-plants-converting-sunlight-energy


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