美创造“人造树叶”：细菌将太阳能转化为液体燃料

来源：科技日报   发布者：张荐辕   日期：2015-02-13  

采集阳光是植物十亿多年前掌握的本领，利用太阳能，通过周围的空气和水进行光合作用养活自身。科学家还想出了如何利用太阳能发电，从光伏电池到后来用的燃料电池产生氢。但氢却一直没有被作为一种在世界范围内实用的汽车燃料，或用于液体燃料发电。 据物理学家组织网近日报道，美国哈佛大学艺术与科学学院、哈佛医学院和威斯生物工程研究所受树叶的启发，创造出一种利用细菌将太阳能转化为液体燃料的“人造树叶”系统，使用催化剂使阳光将水分解为氢气和氧气，设计一种细菌将二氧化碳加氢转化为液体燃料异丙醇。该研究结果发表在美国《国家科学院学报》上。 这篇论文的资深作者、哈佛医学院生物化学和系统生物学系的帕梅拉·希尔韦、埃利奥特·T和亚当斯教授称这个系统为仿生叶，首肯了发明这种人造树叶的哈佛大学教授帕特森·伍德和丹尼尔·诺塞拉的工作。 两年前，诺塞拉在美国麻省理工学院化学系从事研究工作。他曾经指出，人造树叶的想法来自化学家早些年的想象，终有一天会发现“植物们守护着的秘密”。诺塞拉说，最重要的秘密是水分解成氢气和氧气的过程。在人造树叶两面分别产生氢气和氧气的薄膜中间夹着日光收集器。将人工树叶放入阳光照射下的水中，人造树叶周围会产生气泡，释放出的氢气能用于为燃料电池产生电力。这些能自给自足的廉价供能单位，对需要电力的偏远地区和发展中国家很有吸引力，但迄今为止的设计都依赖像铂那样昂贵的金属和高成本的制造工艺上。 为了使这些设备得到更广泛的应用，诺塞拉将用于产生氢气的催化剂铂用镍钼锌合金替代。在叶子的另一面，有一层用钴做的薄膜用来产生氧气。诺塞拉指出，所有这些材料在地球上都十分丰富，不像稀有昂贵的金属铂、贵金属氧化物和已经被其他人使用过的半导体材料。他说：“像人造树叶这样面向贫困地区的太阳能研究，为全球可持续能源发展的未来提供了最直接的路径。” 不久后，诺塞拉从麻省理工学院来到哈佛大学，便和希尔韦开始合作。他们在“个性化的能源”或制造能源本地化的理念上达成一致，认为能源本地化将在发展中国家具有吸引力。这是相对于当前的能源系统，比如石油需集中生产，然后送到加油站的制造能源方式。 希尔韦说：“我们不想制造出一些超级复杂的系统，相反，正在寻找更为简单易行的使用方式。”而这种人造叶取材廉价，催化剂也很容易获得。 希尔韦表示：“所制作的这种催化剂和生物如细菌的生长条件极为适合和匹配。”在新的系统里，一旦仿生叶产生氧气和氢气，氢气会被“喂”给一种真氧产碱杆菌。该细菌中的一种酶把氢还原成质子和电子，并将它们与二氧化碳结合复制更多的细胞。然后，研究人员采用新的方法制造出异丙醇。基于麻省理工学院微生物学和健康科学与技术教授安东尼·辛斯克之前的发现，这种新方法是这种细菌通过新陈代谢过程制造异丙醇。 威斯生物工程研究所核心教授组成员之一的西尔弗说：“现在新的研究证明了一个概念，你可以有办法收集太阳能并将其存储在液体燃料的形式中。新发现的这种强大催化剂将其实现了，我们本来想的是要用上几种细菌与收集的太阳能才能对接完成此项任务。现在用一种细菌就可以完成，这真是一个完美匹配的组合。” 这篇论文的共同作者、在希尔韦实验室从事生物系统的研究人员布伦丹说：“无机催化剂与生物接口的优点是你有了一个前所未有的平台。从太阳能到化学产品是这篇论文的核心要点，到目前为止，我们一直在使用植物，但是现在正在开发前所未有的生物能力制造大量的化合物。”研究人员认为，同样的原理可以用于生产药物，如少量的维生素。 这个研究团队的当务之急，是通过优化催化剂和细菌，提高仿生叶片转换太阳能为生物质的能力。与自然界中将阳光转化为生物质1%的光合作用效率相比，他们的目标是实现5%的效率。

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