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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(gè)為人民造福的工程
——人工光合作用重大進(jìn)步有望實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境雙贏
在人工光合作用研究領(lǐng)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(zhuǎn)化成有價(jià)值的化學(xué)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(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分?？茖W(xué)家合作，開發(fā)出一種由半導(dǎo)體納米線和細(xì)菌構(gòu)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(guān)論文發(fā)表在***近的《納米快報(bào)》雜志上。
“我們相信，這一系統(tǒng)是人工光合作用領(lǐng)域的一次革命性飛躍，有望從根本上改變化學(xué)和石油工業(yè)。”研究負(fù)責(zé)人之一、伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部化學(xué)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(xué)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(huì)越暖。目前地球大氣中二氧化碳濃度已達(dá)到近300萬年來的***高水平，這主要是化石燃料燃燒的結(jié)果。而在可預(yù)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(jìn)入大氣之前將其隔離的技術(shù)，但所有這些技術(shù)都需要把捕獲的碳存儲(chǔ)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(shù)解決了存儲(chǔ)問題，同時(shí)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(huì)收集太陽能還原二氧化碳，與水結(jié)合，通過分子合成生物質(zhì)，”論文作者之一，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究碳中和能量轉(zhuǎn)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(huì)收集太陽能并把電子傳遞給細(xì)菌，細(xì)菌將二氧化碳還原并與水結(jié)合，從而合成多種高附加值的化學(xué)產(chǎn)品。”
這是一種新型人工光合作用系統(tǒng)，把生物適應(yīng)性光捕獲納米線陣列和挑選出來的細(xì)菌群結(jié)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(xué)與生物學(xué)聯(lián)合
“我們的系統(tǒng)代表了材料學(xué)和生物學(xué)之間新興的聯(lián)合，這一聯(lián)合領(lǐng)域也為開發(fā)新的功能設(shè)備提供了廣闊機(jī)會(huì)。”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(jié)構(gòu)要能保護(hù)細(xì)菌，就像埋在高草叢中的復(fù)活節(jié)雞蛋那樣，如此才能使對(duì)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(dāng)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(duì)，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(xì)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(shí)生成醋酸鹽，這是一種多功能化學(xué)中間體，可以制造多種有用的化學(xué)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(jìn)駐’鼠孢菌。”
當(dāng)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(zhuǎn)基因大腸桿菌將其合成特殊的化學(xué)品。在他們的研究中，為了提高目標(biāo)化學(xué)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(gè)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(guān)鍵是分離目標(biāo)要求，將提高光捕獲效率和提高催化活性分開，納米線/細(xì)菌混合技術(shù)使之成為可能。通過這種方式，伯克利小組在模擬陽光下實(shí)現(xiàn)的太陽能轉(zhuǎn)化效率為0.38%，持續(xù)約200小時(shí)，與自然界中的樹葉相仿。
他們用醋酸鹽制造的定向化學(xué)品產(chǎn)量也得到提高——高達(dá)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(shù)進(jìn)一步精煉，預(yù)計(jì)系統(tǒng)的性能還會(huì)提高。
“目前我們正在研究第二代系統(tǒng)，把從太陽能到化學(xué)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化效率提高到3%，”楊說，“等我們?cè)诔杀拘б嫔线_(dá)到了10%的轉(zhuǎn)化率，把這一技術(shù)推向商業(yè)化就切實(shí)可行了。”