纳米材料如何从阳光中生成燃料

2015-5-28 17:00| 发布者: 安丰贞| 查看: 3179| 评论: 0|来自: 研发埠

摘要: 科研人员表示，细菌与纳米级半导体的结合开辟了一条有效的人工光合作用的新途径。California大学Berkeley研究所的研究人员说，通过纳米材料与细菌的结合，他们已经得到了一种新的研究方法可以有效地将二氧化碳、水和阳光转化为有机化合物，这种方法类似于植物的光合作用。基于此方法，可以将这个系统用于商业化。比如生产价值较高的化学品例如医药行业中的药物前体，或者以液态燃料的形式储存可再生能源。如何 ...

光合作用 , 细菌 , 半导体 , 纳米材料

       （译者：王培德）

       科研人员表示，细菌与纳米级半导体的结合开辟了一条有效的人工光合作用的新途径。

       California大学Berkeley研究所的研究人员说，通过纳米材料与细菌的结合，他们已经得到了一种新的研究方法可以有效地将二氧化碳、水和阳光转化为有机化合物，这种方法类似于植物的光合作用。基于此方法，可以将这个系统用于商业化。比如生产价值较高的化学品例如医药行业中的药物前体，或者以液态燃料的形式储存可再生能源。

       如何高效地进行人工光合作用，是一个需要长期考虑的问题，目前有多种方法用于解决这个问题，但这些方法都需要面临某些科学障碍（详见“阳光+水=燃料”以及“一种更洁净的合成叶子”）。一个通用的方法是依靠一种名为electrotrophs的微生物。通过施加电流，这种微生物可以被诱导形成合成化合物的基础成分。

依附于纳米管线阵列上的细菌，利用管线上的电流产生有价值的化学成分。

       这套系统首次将细菌融入半导体中，该系统在获取太阳能的同时，还可以将电流传给微生物。California大学Berkeley分校化学材学科的教授杨培东（音译），作为该系统的发明者，他表示，此前的类似系统都依赖于规模庞大的太阳能电池板来产生可再生电能（详见“从二氧化碳和阳光中得到柴油”）。这套系统中，半导体纳米导管可以从阳光中捕获能量并通过嵌在管线中的electrotrophic细菌。这些细菌利用电子将二氧化碳和水转化为合成化合物的基础成分。这些基础成分可以借助基因工程中的大肠杆菌，衍生出多种产品。

       杨培东表示，这是首个将细菌和半导体材料进行直接结合并用于人工光合作用的项目案例，他和他的同事们已经证明，该系统可以生成丁醇、用于生物降解塑料的聚合物的合成，还可以合成三种药物前体。原则上讲，该系统可以用来制造很多衍生品，包括小范围内的有价值的化学品不像燃料，要收获经济效益必须要进行大规模的生产。

       杨培东指出，该系统在对太阳能的利用程度上与自然界的光合作用相当。但这样的太阳能利用率无法进行商业化推广。同时，他还表示，他的小组正在研究的新型半导体材料，该材料有可能会使得这套系统对太阳能的利用率有所提高。杨培东说“近期我们可以做的就是提高该系统的太阳能利用率”。

       除了光线捕捉纳米线阵列以外，这一特殊的设计还具有另一个十分重要的优点，即该设计可以用于制造氧气。Duke大学生物与化学学科的教授，原ARPA-E电力燃料项目的主任Eric Toone说，这项设计致力于开发利用电力组织制造燃料的技术。项目由杨的团队资助，Toone担任负责人。Toone认为，杨的团队所使用的细菌无法与氧气共存，这个缺点导致这种细菌难以大规模应用。同时杨培东也表示，他们的下一轮的设计，要使纳米管线可以将细菌与氧气隔离，从而保护细菌。

       但是，这套包含细菌的系统面临着重大的挑战，那就是该系统中，细菌必须要保持活着，即便这些细菌活不了多久。

       Caltech大学化学教授Nate Lewis认为，与化工催化剂相比，细菌的反应速度较为缓慢。

       杨培东透露，他的团队最终目的是研究比基于细菌的系统更加稳定的人工合成系统。但目前为止，还没有比细菌更好的催化剂能用于将二氧化碳转化成有用化合物的过程中。他和他的同事们不断地进行半导体材料向细菌传递电子的机理研究。这项半导体-细菌结合的研究会对后续替代细菌的合成催化剂的设计产生一定的指导作用。

       译自：http://www.technologyreview.com/news/537051/how-nanomaterials-can-help-make-fuel-from-sunlight/
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