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作者： 记者 唐琳 来源： 发布时间：2016-7-11 16:11:43
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一面是全球性的能源短缺，一面是过度燃烧化石燃料引发的全球气温升高，无论是哪一个问题，都足以让全世界的科学家们头疼不已。
有没有一种解决方案能够将燃烧化石燃料产生的温室气体转化为稀缺的能源，从而将两个棘手问题一并扫除？虽然听起来有些不可思议，但如今科学家们却的的确确从植物身上获得了灵感。
植物启示录
一枚树叶、一片草地、一个海藻细胞，它们获取能量的方式都是通过水、阳光以及二氧化碳之间的神奇组合——我们称之为“光合作用”。
得益于树叶光合作用带来的启示，哈佛大学化学家Daniel Nocera团队，与哈佛医学院合成生物学家Pamela Silver的小组一道，将化学与生物学技术完美结合，成功地复制、甚至是改进了这一奇妙的过程，最终打造出一个人工光合作用装置——“仿生树叶”。
“仿生树叶”的想法最初来自于化学家早些年的想象，他们认为终有一天人们会发现“植物们守护着的秘密”，而最重要的“秘密”是水分解成氢气和氧气的过程。“仿生树叶”正是借鉴了这一“秘密”，其以太阳能电池板作为动力，通过催化剂使阳光将水分解为氢气和氧气，再利用设计出的一种“饥饿”的细菌将二氧化碳加氢转化为液体燃料异丙醇。
其实，这并不是这支联合团队打造出的首个人工光合作用装置。2015年，被中国媒体广泛转载的 “科学家实现‘水变油’”的报道，展现的正是这支团队的工作，当时他们从每公升水中提取了约216毫克的液体燃料异丙醇。
在最初的实验中，研究人员的设计都依赖于像铂那样昂贵的金属，因此高成本的制造工艺让装置普及变得前途渺茫。后来，为了使这些装置得到更广泛的应用，Nocera用镍钼锌合金来替代催化剂铂。但实验证明镍钼锌催化剂仍不是一个非常理想的选择：这种催化剂极有可能会产生副作用，从而引发微生物中毒。
因此，联合小组一直试图寻找一种更加优良的催化剂，希望它既可以保持微生物的活性，又能够有效地对水进行分解。
功夫不负有心人。近日，在《科学》杂志的报告中，研究组表示他们终于找到了理想的催化剂：一种目前已经普遍应用于塑料和金属部件防腐涂层、在日常生活中随处可见的混合物——钴磷合金。
伴随着微小的电荷，这种新的催化剂能够自发形成常规水溶液，水中的钴、磷以及磷酸盐在“仿生树叶”的背面形成薄膜。在足够高的电压环境下，光伏装置使电流通过水溶液，并将水分解。更加令人欣喜的是，这种催化剂对真氧产碱杆菌这类细菌的存活大为有益。
由于电压高于形成磷化钴催化剂所需的电压，这就意味着当“仿生树叶”处于工作状态时，总是有足够的电力用于保持生成催化剂，同时也意味着并不会有多余的金属残留物毒害微生物或终止水分解活动。“催化剂可以一直保持活性，”Nocera表示。据他介绍，这种新的人工树叶可以一次性工作16天。
新的催化剂在将水分解为氢气和氧气的同时还能避免产生活性氧分子——活性氧分子通常会破坏DNA和其他对维持生命至关重要的进程。“我也不知道为何如此，”Nocera说，“但寻找答案将会非常有趣。”
环保的呼唤
得益于这种新催化剂在“仿生树叶”上的应用，研究小组成功推出了“仿生树叶”的“2.0”版本——将装置生产异丙醇和异丁醇等酒精燃料的效率提升了大约10%。换句话说，“仿生树叶”每消耗1度电将能生产异丙醇燃料60克——这比自然光合作用将水、阳光和空气转化为能量的效率着实要高得多。
第一步成功后，紧接着，用真氧产碱杆菌生产其他产品的想法涌入了科学家们的脑袋，比如化石燃料中复杂的碳氢分子，又或是化肥等等。“这赋予了我们对于再生化学品行业新的思考，”Nocera说。
而研究团队也开始了新的探索。在《科学》杂志发表的文章中，联合小组已经开始尝试诱导真氧产碱杆菌作为分子，并最终将其转化为塑料。这个想法的基本原理是通过反向燃烧，利用化石燃料燃烧剩余的残留物——聚集在空气中的二氧化碳——构建可再生燃料，就如同植物一样。
以空气中多余的二氧化碳为原料产生燃料，这种新型生物反应装置不仅能够帮助缓解全球变暖等污染问题，同时也能为那些无法获得现代能源的人们提供清洁能源。而由于“仿生树叶”取材廉价，催化剂也容易获得，因此这一能自给自足的廉价供能单位，对需要电力的偏远地区和发展中国家非常具有吸引力。
“你可以在自家后院做这一工作，而不需要价值数十亿的大型基础设施。”Nocera 说，“像‘仿生树叶’这样面向贫困地区的太阳能研究，将为全球可持续能源发展的未来提供最直接的路径。”
虽然现阶段由于规模的限制使得“仿生树叶”中的微生物还无法高效地产生燃料，但是研究小组却对其在未来的表现充满期待——毕竟目前并没有发现任何限制“仿生树叶”装置扩大化的可能。
也许，更为可贵的是，无机催化剂与生物技术的“联姻”为科学研究提供了一个前所未有的平台和可能性。“通过整合生物学与有机化学技术，我们打造了一个强有力的通道，”Nocera补充说，“我利用空气、阳光和水做出了比大自然好10倍的东西，这让我感觉很好。”■
《科学新闻》 (科学新闻2016年6月刊 能源)
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