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仿生树叶新进展:Science刊载美国哈佛大学课题组发明的仿生树叶固碳效率超过光合作用

2016-09-01 386浏览 标签: 仿生树叶美国harvard


研究背景及关注意义


自然界的光合作用利用阳光将空气中的二氧化碳固定并转化为生物能,其转化能效是目前已知的太阳能转化方式中最高的,这个最高,都不足百分之一。科学界早在上个世纪就对模拟光合作用有所设想,通过人工模拟光合作用以找到将二氧化碳直接转换成生物能、燃料或其他产品,而科学家给出的人工光合作用转化效率理论估值是自然光合作用的20倍。

事实上,世界上许多顶级的研究机构、课题小组都在从不同的方向研究这个课题,美国能源部还在2010年的时候专门投资1.22亿美元成立了一个光合作用研究中心(加州理工以及劳伦斯伯克利实验室联合),然而进步是有的,好的成果却寥寥,实现的二氧化碳人工转化率通常远远低于自然光合作用。美国著名化学家、能源专家Daniel G. Nocera和美国著名微生物学家Pamela A. Silver带领的哈佛大学研究团队也对光能的生化转换做了长期的研究,并在2011年就见报了“仿生树叶”的设计。今年,在之前研究的基础上,该课题组利用微生物以及水分解催化剂系统,成果解决之前设计中的毒性问题(镍钼锌催化剂产生的活性氧会杀掉细菌的DNA),这种生物相容的自愈电极与光伏太阳能相结合,可得到超越自然光合作用数量级的光能-化学能转化率。Science杂志收录了这个研究的报道。
  

研究内容


人工光合作用系统可以储存太阳能并通过化学方法减少二氧化碳,并将阳光和水转化成液体燃料。这类可以模拟光合作用的产品很多,但它们都只能发电,而电能需要存储在电池中,使用起来没有液体燃料方便。课题组研究了一种混合的水分解生物合成系统,这种系统基于一种生物相容的钴磷合金催化系统,这种催化剂不会产生活性氧,这样就无需让系统在高电压下运行,整体的效能就有了巨大提升。低驱动电压下,催化系统就可将水分解成氢和氧。研究组将真氧产碱杆菌(Ralstonia eutropha 罗尔斯通氏菌)与这种催化剂接触培养,杆菌在生长过程中会消耗催化系统产生的氢来合成生物质和液体燃料,也能在氧气的存在下将低浓度的二氧化碳转化成化学产物。这种可升级的系统的固碳能效约为50%,当生成细菌生物质和液体杂醇时,可做到每千瓦时电力吸收180克二氧化碳。将这种混合设备与现有的光伏系统结合,可以得到综合固碳能效约10% 的体系,超过了自然的光合作用体系。


配图


图1-示意图:“仿生树叶”

     动态链接:Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis


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