为了应对气候变化科学家们利用碳饥饿微生物

劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)的科学家展示了一项新技术，该技术模仿某些细菌的代谢过程，将二氧化碳(CO2)转化为液态醋酸盐，这是生产“液态阳光”或太阳能燃料的关键成分通过人工光合作用。

发表在NatureCatalysis上的新方法可以帮助推进与全球变暖和气候变化相关的化石燃料的无碳替代品。

这项工作也是模拟这些细菌如何从电子和CO2自然合成乙酸盐的装置的首次演示。

“令人惊奇的是，我们学会了如何通过模仿这些小微生物的自然方式将二氧化碳选择性地转化为乙酸盐，”资深作者杨培东说，他拥有伯克利实验室材料科学部的高级教职科学家和化学与化学教授的头衔。加州大学伯克利分校的材料科学与工程。

“我们在我的实验室中将CO2转化为有用产品所做的一切都受到大自然的启发。在减少CO2排放和应对气候变化方面，这是解决方案的一部分。”

几十年来，研究人员已经知道某些细菌中的代谢途径允许它们消化电子和CO2以产生乙酸盐，这是一种由电子驱动的反应。该途径将CO2分子分解为两个不同或“不对称”的化学基团：羰基(CO)或甲基(CH3)。该反应途径中的酶使CO和CH3中的碳键结合或“偶联”，然后引发另一个催化反应，产生乙酸盐作为最终产物。

人工光合作用领域的研究人员一直想开发模拟该途径化学反应的装置——称为不对称碳-碳偶联——但寻找与细菌的天然酶催化剂一样有效的合成电催化剂一直具有挑战性。

“但我们认为，如果这些微生物能够做到这一点，那么人们应该能够在实验室中模拟它们的化学反应，”杨说。

用缺碳铜推进人工光合作用

铜将碳转化为各种有用产品的天赋在20世纪70年代首次被发现。基于之前的研究，杨和他的团队推断，配备铜催化剂的人工光合作用装置应该能够将CO2和水转化为甲基和羰基，然后将这些产物转化为乙酸盐。

因此，对于一个实验，杨和团队设计了一个带有铜表面的模型设备;然后，他们将铜表面暴露在液体甲基碘(CH3I)和CO气体中，并对系统施加电偏压。

研究人员假设CO会粘附在铜表面，触发CO和CH3基团的不对称偶联以产生乙酸盐。在实验中使用同位素标记的CH3I以跟踪反应途径和最终产物。(同位素是一种原子，其原子核中的中子[不带电粒子]多于或少于元素的其他原子。)

他们是对的。在Yang的加州大学伯克利分校实验室进行的化学分析实验表明，铜的羰基和甲基配对不仅产生乙酸盐，还产生其他有价值的液体，包括乙醇和丙酮。同位素追踪使研究人员能够确认乙酸盐是通过CO和CH3的结合形成的。

在另一项实验中，研究人员从铜和银纳米粒子溶液中合成了一种超薄材料，每个纳米粒子的直径仅为7纳米(十亿分之一米)。然后，研究人员设计了另一种模型设备，这次是用纳米颗粒薄材料分层。

正如预期的那样，电偏压引发了反应，促使银纳米粒子将CO2转化为羰基，而铜纳米粒子将CO2转化为甲基。Yang实验室的后续分析表明，CO之间的另一个反应(令人垂涎的不对称耦合)CH3合成醋酸盐等液体产品。

通过分子铸造厂的电子显微镜实验，研究人员了解到铜和银纳米粒子彼此紧密接触，形成串联系统，并且铜纳米粒子充当不对称偶联的催化中心。

杨说，在未来高效人工光合作用系统的设计中，这些铜银纳米粒子有可能与吸光硅纳米线结合使用。

2015年，Yang共同领导了一项研究，该研究展示了一种由半导体纳米线和细菌组成的人工光合作用系统，利用阳光中的能量从二氧化碳和水中产生乙酸盐。这一发现对一个不断发展的领域具有重要意义，在该领域，研究人员花费了数十年时间寻找最佳化学反应，以从CO2中生产高产量的液体产品。

Yang说，这项新研究通过展示一种合成电催化剂——铜银纳米粒子——“明显模仿细菌从CO2生产液体产品的行为”，推进了这项早期工作。“我们还有很多工作要做来改进它，但我们对它推进人工光合作用的潜力感到兴奋。”