人造树叶将污染变能源

化工行业的碳排放约占全球总碳排放的6%。如今，由剑桥大学领导的团队正在探索创新方法，有望最终实现这一重要行业的“去化石燃料化”。他们的突破性成果是一种混合装置，将吸光有机聚合物与细菌酶结合，能将阳光、水和二氧化碳转化为甲酸盐——一种可驱动其他化学反应的清洁燃料。这种“半人工叶子”模拟了植物将阳光转化为能量的自然光合作用过程，且完全依靠自身供能运行。与以往依赖有毒或不稳定吸光材料的设计不同，这种新型生物混合模型使用无毒材料，运行效率更高，且无需额外添加剂即可保持稳定。在实验室测试中，该团队成功利用阳光将二氧化碳转化为甲酸盐，随后直接将其用于“多米诺”反应，合成了一种用于制药的高价值化合物，产率和纯度均较高。据发表在《焦耳》（Joule）期刊上的研究结果，这是首次在这类生物混合系统中使用有机半导体作为光捕获组件，为新一代环保人工叶子铺平了道路。化工行业是全球经济的支柱产业，生产范围广泛的产品——从药品、化肥到塑料、涂料、电子产品、清洁剂和化妆品等。“如果我们要建立循环、可持续的经济，化工行业就是我们必须解决的一个重大且复杂的问题，”剑桥大学优素福·哈米德化学系的欧文·赖斯纳教授（他领导了这项研究）表示，“我们必须想出办法让这个生产众多我们都需要的重要产品的关键行业实现去化石燃料化。如果能做到这一点，这将是一个巨大的机遇。”赖斯纳的研究小组专门研发人工叶子，这类叶子不依赖化石燃料，能将阳光转化为碳基燃料和化学品。但他们早期的许多设计依赖合成催化剂或无机半导体，这些材料要么降解速度快，要么浪费大量太阳光谱，要么含有铅等有毒元素。“如果我们能去除有毒成分，开始使用有机元素，就能实现清洁的化学反应，得到单一的最终产品，不会产生任何不必要的副反应，”共同第一作者席琳·杨博士说，她在赖斯纳的实验室攻读博士期间完成了这项研究。“这种装置结合了两者的优点——有机半导体具有可调节性且无毒，而生物催化剂则具有高度的选择性和效率。”这种新装置将有机半导体与硫酸盐还原菌的酶整合在一起，可将水分解为氢气和氧气，或将二氧化碳转化为甲酸盐。研究人员还解决了一个长期存在的难题：大多数系统需要被称为缓冲剂的化学添加剂来维持酶的运行，而这些缓冲剂会迅速分解并限制系统的稳定性。通过将一种辅助酶——碳酸酐酶嵌入多孔二氧化钛结构中，研究人员使该系统能在简单的碳酸氢盐溶液（类似于气泡水）中工作，无需不可持续的添加剂。“这就像一个大拼图，”共同第一作者刘勇鹏博士（赖斯纳实验室的博士后研究员）说，“我们有各种不同的组件，一直试图将它们整合起来实现一个单一目标。我们花了很长时间才弄清楚这种特定的酶是如何固定在电极上的，但现在我们开始看到这些努力的成果了。”“通过深入研究酶的工作原理，我们能够精确设计构成‘三明治’式装置不同层的材料，”杨博士说，“这种设计使各个部件从微小的纳米级到整个人工叶子都能更有效地协同工作。”测试表明，这种人工叶子能产生高电流，并在将电子导向燃料生成反应方面实现了近乎完美的效率。该装置成功运行了超过24小时，是以往设计的两倍多。研究人员希望进一步改进设计，以延长装置的使用寿命，并对其进行改造，使其能够生产不同类型的化学产品。“我们已经证明，制造既高效耐用又不含有毒或不可持续成分的太阳能装置是可能的，”赖斯纳说，“这可能成为未来生产绿色燃料和化学品的基础平台——这是一个开展令人兴奋且重要的化学研究的真正机遇。”这项研究得到了新加坡科技研究局（A*STAR）、欧洲研究理事会、瑞士国家科学基金会、英国皇家工程院和英国研究与创新署（UKRI）的部分支持。欧文·赖斯纳是剑桥大学圣约翰学院的研究员，席琳·杨是剑桥大学唐宁学院的成员。