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 thermoacetica（Science, 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，哈佛大学的Pamela A. Silver教授和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 Liu和Brendan 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H₂（Science, 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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