利用细菌和阳光 研究人员开辟通向可持续能源的革命性道路

随着全球对清洁、可持续能源需求的增加,科学家们正从光合作用过程中汲取灵感。罗切斯特大学的一个研究小组正在启动一个革命性的项目,利用细菌将电子传递给纳米晶体半导体光催化剂,从而人工模拟光合作用,旨在设计出创新的、环保的方法来制造清洁的氢燃料。

利用细菌和阳光 研究人员开辟通向可持续能源的革命性道路

罗切斯特大学的研究人员利用半导体纳米晶体作为光吸收剂和催化剂,并利用细菌向系统提供电子,从而模拟了光合作用。该系统浸没在水中,由光驱动。细菌(大棒状)与纳米粒子催化剂(橙色小点)相互作用产生氢气(H2,气泡)。图片来源:罗切斯特大学插图/Michael Osadciw

在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中,罗切斯特大学Richard S. Eisenberg化学教授Kara Bren和化学教授Todd Krauss揭示,Shewanella oneidensis细菌可作为他们的人工光合作用系统的一种经济高效的电子源。

通过利用这些微生物的独特性质和纳米材料,该系统有可能取代目前从化石燃料中提取氢气的方法,彻底改变氢燃料的生产方式,并释放出强大的可再生能源。

Bren说:”氢气无疑是能源部目前高度关注的一种燃料。如果我们能够找到一种从水中高效提取氢气的方法,这将带来清洁能源的惊人增长”。

理想的燃料

氢是”一种理想的燃料”,因为它对环境友好,是化石燃料的无碳替代品。

氢是宇宙中最丰富的元素,可以从多种来源生产,包括水、天然气和生物质。化石燃料会产生温室气体和其他污染物,而氢与化石燃料不同,在燃烧时唯一的副产品就是水蒸气。氢燃料还具有高能量密度,这意味着其单位重量含有大量能量。氢燃料可用于燃料电池等多种用途,既可小规模生产,也可大规模生产,因此从家庭使用到工业制造都可行。

使用氢气的挑战

尽管氢储量很丰富,但地球上几乎没有纯净的氢;氢几乎总是与碳或氧等其他元素结合在碳氢化合物和水等化合物中。要将氢用作燃料,必须从这些化合物中提取。

科学家历来从化石燃料中提取氢气,或者最近从水中提取氢气。为了实现后者,人们大力推动采用人工光合作用。

在自然光合作用过程中,植物吸收阳光,并利用阳光进行化学反应,将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。从本质上讲,光能被转化为化学能,为生物体提供燃料。

同样,人工光合作用是将丰富的原料和阳光转化为化学燃料的过程。模拟光合作用的系统需要三个组成部分:光吸收器、制造燃料的催化剂和电子源。这些系统通常浸没在水中,光源为光吸收器提供能量。能量使催化剂将提供的电子与周围水中的质子结合,产生氢气。然而,目前大多数系统在生产过程中都依赖化石燃料,或者没有有效的电子传递方式。

Bren说:”目前生产氢燃料的方式实际上使其成为一种化石燃料。”我们希望通过光驱动反应从水中获得氢气,这样我们就能获得真正的清洁燃料,而且在此过程中不会使用化石燃料。”

Krauss的研究小组和布伦的研究小组大约十年来一直致力于开发一种采用人工光合作用、利用半导体纳米晶体作为光吸收剂和催化剂的高效系统。

研究人员面临的一个挑战是找到电子源,并将电子从电子供体有效地转移到纳米晶体上。其他系统使用抗坏血酸(俗称维生素C)将电子送回系统。虽然维生素C看起来很便宜,但”需要一个几乎免费的电子源,否则系统就太昂贵了,”Krauss说。

Krauss和Bren在论文中报告了一种不太可能的电子供体:细菌。他们发现,Shewanella oneidensis(一种最早从纽约州北部Oneida湖采集的细菌)为他们的系统提供了一种有效的免费、高效的电子供给方式。

Bren说:”虽然其他实验室已经将纳米结构与细菌结合起来,但所有这些工作都是从纳米晶体中获取电子并将其输入细菌,然后利用细菌机器制备燃料。据我们所知,我们是第一个反其道而行之,将细菌作为纳米晶体催化剂的电子源的案例”。

当细菌在厌氧条件下生长,在有氧气的条件下呼吸细胞物质作为燃料,在此过程中释放电子。Shewanella oneidensis可以利用自身内部新陈代谢产生的电子,并将其捐献给外部催化剂。

未来的燃料

布伦设想,未来每个家庭都可能拥有大桶和地下储氢罐,利用太阳能生产和储存小批量氢气,使人们能够用廉价、清洁的燃料为家庭和汽车提供动力。布伦指出,目前已有火车、公共汽车和汽车使用氢燃料电池,但几乎所有为这些系统提供动力的氢都来自化石燃料。

她说:”新技术已经问世,但在不使用化石燃料的情况下,氢气通过光驱动反应从水中产生之前,对环境并没有真正的帮助。”

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