化学家创建的人工光合作用系统比现有系统效率高十倍

在过去的两个世纪里，人类一直依靠化石燃料来集中能源。数亿年的光合作用被包装成一种方便的、能量密集的物质。但这种供应是有限的，化石燃料的消耗对地球气候产生了巨大的负面影响。

“许多人没有意识到的最大挑战是，即使是大自然也无法解决我们使用的能源量，”芝加哥大学化学家林文斌说。他说，甚至光合作用也没有那么好：“我们必须做得比自然更好，这很可怕。”

科学家正在探索的一种可能选择是“人工光合作用”——改造植物系统以制造我们自己的燃料。但是，一叶之内的化学设备极其复杂，要达到我们自己的目的也不是那么容易。

芝加哥大学六位化学家的一项自然催化研究显示了一种创新的人工光合作用新系统，该系统的生产力比以前的人工系统高一个数量级。与从二氧化碳和水产生碳水化合物的常规光合作用不同，人工光合作用可以产生乙醇、甲烷或其他燃料。

虽然它要成为一种让您每天为汽车加油的方式还有很长的路要走，但该方法为科学家们提供了一个新的探索方向——并且在短期内可能对生产其他化学品有用。

“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是如何在分子水平上工作的，这是以前没有完成的，”林说，他是芝加哥大学詹姆斯弗兰克化学教授和该研究的高级作者。

“我们需要别的东西”

“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，制造了我们吃的食物，”林说。“但它永远不会足够高效地为我们驾驶汽车提供燃料;所以我们需要别的东西。”

问题在于，光合作用的目的是产生碳水化合物，这些碳水化合物非常适合为我们提供燃料，但对我们的汽车来说却不是，因为我们的汽车需要更多集中的能量。因此，寻求创造化石燃料替代品的研究人员必须重新设计该过程以创造更多能量密集的燃料，例如乙醇或甲烷。

在自然界中，光合作用是由几个非常复杂的蛋白质和色素组装而成的。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——一长串氢-氧-碳化合物。然而，科学家们需要对反应进行重新设计，以产生一种不同的排列方式，其中只有氢围绕着一个多汁的碳核心——CH4，也称为甲烷。

这种重新设计比听起来要复杂得多。几十年来，人们一直在修补它，试图更接近自然的效率。

林和他的实验室团队认为，他们可能会尝试添加迄今为止人工光合作用系统尚未包含的东西：氨基酸。

该团队从一种称为金属有机框架或MOF的材料开始，这是一类由有机连接分子结合在一起的金属离子组成的化合物。然后，他们将MOF设计为单层，以便为化学反应提供最大的表面积，并将所有东西都浸入包含钴化合物的溶液中以传输电子。最后，他们将氨基酸添加到MOF中，并尝试找出哪种效果最好。

他们能够对反应的两个部分进行改进：分解水的过程和将电子和质子添加到二氧化碳中的过程。在这两种情况下，氨基酸都有助于反应更有效地进行。

然而，即使性能有了显着提高，人工光合作用在产生足够的燃料以供广泛使用之前还有很长的路要走。“我们现在所处的位置，需要扩大许多数量级才能为我们的消费制造足够量的甲烷，”林说。

这一突破还可以广泛应用于其他化学反应;你需要制造大量燃料才能产生影响，但少量的一些分子，例如制造药物和尼龙的起始材料等，可能非常有用。

“这些基本过程中有很多是相同的，”林说。“如果你开发出好的化学物质，它们可以被插入到许多系统中。”