新研发的"人工光合作用"系统可以以10倍的效率生产甲烷

来源：cnBeta 　2022-11-14 05:44:54

芝加哥大学的突破从太阳、二氧化碳和水中创造出甲烷燃料。在过去的两个世纪里，人类一直依赖化石燃料作为集中的能源。我们的社会一直在利用这些方便的、能量密集的物质，这些物质是由数亿年的光合作用所产生的。然而，这种供应是有限的，而且化石燃料的消耗对地球的气候产生了巨大的负面影响。

芝加哥大学的六位化学家的一项研究显示，一种创新的人工光合作用新系统比以前的人工系统产量高一个数量级。上图是该过程的艺术插图。

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芝加哥大学化学家林文彬说："许多人没有意识到的最大挑战是，即使是大自然也没有办法解决我们使用的能源量。他说，甚至光合作用也没有那么好。我们将不得不做得比大自然更好，这很可怕。"

"人工光合作用"是科学家正在探索的一个可能的选择。这需要对植物的系统进行重新加工，以制造我们自己的各种燃料。然而，一片叶子中的化学设备是非常复杂的，而且不那么容易转用于我们自己的目的。

现在，芝加哥大学的六位化学家在11月10日发表在《自然·催化》杂志上的一项研究中提出了一个创新的人工光合作用新系统，其产量比以前的人工系统高一个数量级。与普通光合作用从二氧化碳和水产生碳水化合物不同，人工光合作用可以生产乙醇、甲烷或其他燃料。

尽管在成为你每天为汽车提供燃料的方式之前，它还有很长的路要走，但这种方法给了科学家一个新的探索方向。此外，从短期来看，它可能对其他化学品的生产有帮助。

林说："这是对现有系统的巨大改进，但同样重要的是，我们能够非常清楚地了解这个人工系统在分子水平上是如何工作的，这在以前是没有过的，"他是芝加哥大学的詹姆斯-弗兰克化学教授和这项研究的高级作者。

"没有自然光合作用，我们就不会在这里。它制造了我们在地球上呼吸的氧气，它制造了我们吃的食物，"林说。"但是它永远不会高效到为我们提供燃料来驾驶汽车；所以我们将需要别的东西。"

问题是，光合作用是为了创造碳水化合物，这对我们来说是很好的燃料，但不是我们的汽车，它需要更集中的能量。因此，希望创造化石燃料替代品的研究人员必须重新设计这一过程，以创造能量密度更大的燃料，如乙醇或甲烷。

在自然界中，光合作用是由几种非常复杂的蛋白质和色素组合而成的。它们吸收水和二氧化碳，将分子分解，并重新排列原子以制造碳水化合物--一长串的氢氧碳化合物。然而，科学家们需要重新设计反应，以产生一种不同的排列方式，只有氢围绕着一个多汁的碳核心-CH4，也被称为甲烷。

这种重新设计比听起来要棘手得多；人们几十年来一直在修补它，试图接近大自然的效率。林和他的实验室团队认为，他们可以尝试添加一些迄今为止人工光合作用系统还没有包括的东西：氨基酸。

该团队从一种叫做金属有机框架或MOF的材料开始，这是一类由金属离子通过有机连接分子固定在一起的化合物。然后，他们将MOF设计成单层，以便为化学反应提供最大的表面积，并将所有东西浸没在包括钴化合物在内的溶液中以运送电子。最后，他们在MOF中加入了氨基酸，并进行了实验，以判断哪种方法效果最好。

现在，他们能够对反应的两个方面进行改进：分解水的过程和向二氧化碳添加电子和质子的过程。在这两种情况下，氨基酸帮助反应更有效地进行。

然而，即使性能有了明显的提高，人工光合作用在生产足够的燃料以达到广泛使用的目的之前，还有很长的路要走。林说："在我们现在所处的位置，它将需要扩大许多数量级，以制造足够数量的甲烷供我们消费。"

这一突破也可以广泛地应用于其他化学反应，如制造药物和尼龙的起始材料等，可能非常有用。

林说："这些基本过程中有许多是相同的。如果你开发出好的化学制品，它们可以被插入许多系统中。"

科学家们利用高级光子源的资源，即位于美国能源部阿贡国家实验室的同步加速器，来描述这些材料的特性。

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