人造树叶将二氧化碳变成清洁燃料

参考消息网11月5日报道 据美国《科学日报》网站11月2日报道，由英国剑桥大学科学家牵头的一个研究小组正在探索创新性方法，最终可能使化工产业“摆脱对化石燃料的依赖”。

他们的突破涉及一种混合装置，该装置将吸光有机聚合物和细菌酶组合在一起，从而将阳光、水和二氧化碳转化为甲酸盐。这是一种清洁燃料，可以驱动其他化学反应。

这种“半人造树叶”复制了植物的光合作用，并且完全依靠自身能量运行。与之前依赖有毒或不稳定吸光材料的设计不同，这种新的生物混合模式使用无毒材料，运行效率更高，且在没有额外添加剂的情况下也能保持稳定。

在实验室测试中，该团队成功地利用阳光将二氧化碳转化为甲酸盐，然后将其直接应用于“多米诺”式反应中，以合成一种用于制药的化合物，实现了高产率和高纯度。

根据发表在美国《焦耳》杂志上的研究结果，这标志着有机半导体首次在这种生物混合系统中用作光捕获组件，为新一代环保人造树叶铺平了道路。

化学工业仍然是全球经济的基石，生产从药品和化肥到塑料、油漆、电子产品、清洁剂和洗漱用品等范围广泛的商品。

领导这项研究的剑桥大学优素福·哈米德化学系教授埃尔温·赖斯纳表示：“如果我们要建立循环的、可持续的经济，化工行业是必须解决的一大难题。这个行业负责生产人人都离不开的许多重要产品，我们必须设法让这个重要行业摆脱化石燃料。”

赖斯纳的研究小组从事人造树叶的研发，这种人造树叶可以在不依赖化石燃料的情况下将阳光转化为碳基燃料和化学品。但他们早期的许多设计都依赖合成催化剂或无机半导体，这些材料要么很快降解，要么浪费了大部分太阳光谱，要么含有铅等有毒元素。

研究报告的共同第一作者塞琳·杨(音)博士说：“如果我们能够去除有毒成分并开始使用有机成分，就能得到清洁的化学反应和单一的最终产品，不会伴随不必要的副反应。”

这种新装置将有机半导体与来自硫酸盐还原菌的酶相结合，将水分解为氢气和氧气，或将二氧化碳转化为甲酸盐。

研究人员还解决了一个长期存在的问题：大多数系统需要被称为缓冲液的化学添加剂来保持酶的活性。这些添加剂可能会迅速分解并导致系统稳定性降低。通过将一种辅助酶(碳酸酐酶)嵌入多孔钛结构中，研究人员使该系统能够在一种简单的碳酸氢盐溶液(类似于苏打水)中运作，而无需不可持续的添加剂。

研究报告共同第一作者刘永鹏(音)博士说：“这就像一个大拼图。我们拥有所有这些不同的组件，一直在做的是把它们组合在一起，以实现某个单一的目的。我们花了很长时间才弄清楚如何把这种特定的酶固定在电极上，但我们现在开始看到这些努力的成果了。”

杨博士说：“通过真正了解酶的工作原理，我们能够精确设计每一层的材料，组成我们的类似三明治结构的装置。这种设计使从微小的纳米级结构到整个人造树叶的各构成部分能更有效地协同工作。”

测试表明，这种人造树叶产生了高电流，并且能以极高效率将电子引导到燃料制造反应中。该装置成功运行了超过24小时，是之前设计所运行时长的两倍多。

赖斯纳说：“我们已经证明，制造高效耐用且不含有毒或不可持续组件的太阳能装置是可以实现的。这可能是未来生产绿色燃料和绿色化学品的一个基础平台。”（编译/朱丽）