美創(chuàng)造“人造樹葉”：細(xì)菌將太陽能轉(zhuǎn)化為液體燃料

采集陽光是植物十億多年前掌握的本領(lǐng)，利用太陽能，通過周圍的空氣和水進(jìn)行光合作用養(yǎng)活自身。科學(xué)家還想出了如何利用太陽能發(fā)電，從光伏電池到后來用的燃料電池產(chǎn)生氫。但氫卻一直沒有被作為一種在世界范圍內(nèi)實(shí)用的汽車燃料，或用于液體燃料發(fā)電。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報(bào)道，美國哈佛大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院、哈佛醫(yī)學(xué)院和威斯生物工程研究所受樹葉的啟發(fā)，創(chuàng)造出一種利用細(xì)菌將太陽能轉(zhuǎn)化為液體燃料的“人造樹葉”系統(tǒng)，使用催化劑使陽光將水分解為氫氣和氧氣，設(shè)計(jì)一種細(xì)菌將二氧化碳加氫轉(zhuǎn)化為液體燃料異丙醇。該研究結(jié)果發(fā)表在美國《國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上。

這篇論文的資深作者、哈佛醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)系的帕梅拉·希爾韋、埃利奧特·T和亞當(dāng)斯教授稱這個系統(tǒng)為仿生葉，首肯了發(fā)明這種人造樹葉的哈佛大學(xué)教授帕特森·伍德和丹尼爾·諾塞拉的工作。

兩年前，諾塞拉在美國麻省理工學(xué)院化學(xué)系從事研究工作。他曾經(jīng)指出，人造樹葉的想法來自化學(xué)家早些年的想象，終有一天會發(fā)現(xiàn)“植物們守護(hù)著的秘密”。諾塞拉說，最重要的秘密是水分解成氫氣和氧氣的過程。在人造樹葉兩面分別產(chǎn)生氫氣和氧氣的薄膜中間夾著日光收集器。將人工樹葉放入陽光照射下的水中，人造樹葉周圍會產(chǎn)生氣泡，釋放出的氫氣能用于為燃料電池產(chǎn)生電力。這些能自給自足的廉價供能單位，對需要電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)和發(fā)展中國家很有吸引力，但迄今為止的設(shè)計(jì)都依賴像鉑那樣昂貴的金屬和高成本的制造工藝上。

為了使這些設(shè)備得到更廣泛的應(yīng)用，諾塞拉將用于產(chǎn)生氫氣的催化劑鉑用鎳鉬鋅合金替代。在葉子的另一面，有一層用鈷做的薄膜用來產(chǎn)生氧氣。諾塞拉指出，所有這些材料在地球上都十分豐富，不像稀有昂貴的金屬鉑、貴金屬氧化物和已經(jīng)被其他人使用過的半導(dǎo)體材料。他說：“像人造樹葉這樣面向貧困地區(qū)的太陽能研究，為全球可持續(xù)能源發(fā)展的未來提供了最直接的路徑。”

不久后，諾塞拉從麻省理工學(xué)院來到哈佛大學(xué)，便和希爾韋開始合作。他們在“個性化的能源”或制造能源本地化的理念上達(dá)成一致，認(rèn)為能源本地化將在發(fā)展中國家具有吸引力。這是相對于當(dāng)前的能源系統(tǒng)，比如石油需集中生產(chǎn)，然后送到加油站的制造能源方式。

希爾韋說：“我們不想制造出一些超級復(fù)雜的系統(tǒng)，相反，正在尋找更為簡單易行的使用方式。”而這種人造葉取材廉價，催化劑也很容易獲得。

希爾韋表示：“所制作的這種催化劑和生物如細(xì)菌的生長條件極為適合和匹配。”在新的系統(tǒng)里，一旦仿生葉產(chǎn)生氧氣和氫氣，氫氣會被“喂”給一種真氧產(chǎn)堿桿菌。該細(xì)菌中的一種酶把氫還原成質(zhì)子和電子，并將它們與二氧化碳結(jié)合復(fù)制更多的細(xì)胞。然后，研究人員采用新的方法制造出異丙醇。基于麻省理工學(xué)院微生物學(xué)和健康科學(xué)與技術(shù)教授安東尼·辛斯克之前的發(fā)現(xiàn)，這種新方法是這種細(xì)菌通過新陳代謝過程制造異丙醇。

威斯生物工程研究所核心教授組成員之一的西爾弗說：“現(xiàn)在新的研究證明了一個概念，你可以有辦法收集太陽能并將其存儲在液體燃料的形式中。新發(fā)現(xiàn)的這種強(qiáng)大催化劑將其實(shí)現(xiàn)了，我們本來想的是要用上幾種細(xì)菌與收集的太陽能才能對接完成此項(xiàng)任務(wù)。現(xiàn)在用一種細(xì)菌就可以完成，這真是一個完美匹配的組合。”

這篇論文的共同作者、在希爾韋實(shí)驗(yàn)室從事生物系統(tǒng)的研究人員布倫丹說：“無機(jī)催化劑與生物接口的優(yōu)點(diǎn)是你有了一個前所未有的平臺。從太陽能到化學(xué)產(chǎn)品是這篇論文的核心要點(diǎn)，到目前為止，我們一直在使用植物，但是現(xiàn)在正在開發(fā)前所未有的生物能力制造大量的化合物。”研究人員認(rèn)為，同樣的原理可以用于生產(chǎn)藥物，如少量的維生素。

這個研究團(tuán)隊(duì)的當(dāng)務(wù)之急，是通過優(yōu)化催化劑和細(xì)菌，提高仿生葉片轉(zhuǎn)換太陽能為生物質(zhì)的能力。與自然界中將陽光轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)1%的光合作用效率相比，他們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)5%的效率。