伯克利实验室研发人工光合作用系统 可制成燃料为汽车等提供动力

据外媒报道,美国劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家Heinz Frei几十年来一直在研究构建自然界最高效机器之一 —— 树叶的人工版本。Frei与世界各地的很多研究人员都试图利用光合作用(绿色植物和藻类利用阳光驱动的化学反应,将二氧化碳转化为细胞燃料),以生产燃料,为家庭和车辆提供动力。如果研究出必要技术,让过去的理论模型和实验室原型得到改进,人工光合作用就能够利用大气中多余的二氧化碳生产大量的可再生能源。

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(图片来源:伯克利实验室)

而在最近的研究中,Frei与伯克利实验室团队成员取得了新进展,他们研发了一种由纳米管组成的人工光合作用系统,似乎能够执行燃料产生反应的所有关键步骤。

研究人员表示,其设计可以让质子在该纳米管内部快速流动,流到纳米管外部。此类质子在纳米管内,由分裂的水分子生成;而在纳米管外,此类质子与二氧化碳和电子结合,会成为燃料。此种燃料目前是一氧化碳,但是研究小组正在致力于制成甲烷。质子快速流动对于高效利用太阳能以生成燃料而言非常关键,此前,人工光合作用系统的质子流动问题一直无法得到解决。

现在,该团队展示了该纳米管可如何独立完成所有光合作用任务,他们准备开始测试整个系统。该系统的单个单元是小型方型“太阳能燃料块”,其中包含数十亿根纳米管,此类纳米管夹在薄薄且轻微有弹性的硅酸盐底板和顶板之间,纳米管的开口会穿透此类覆盖物。

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(图片来源:伯克利实验室)

太阳能燃料块内部每一根小小的空心纳米管(宽0.5微米)都由三层组成:氧化钴内层、二氧化硅中间层以及二氧化钛外层。在该纳米管的内层,来自阳光的能量被输入到氧化钴中,将水分解(以潮湿空气的形式,流经每根纳米管内部),产生自由质子和氧气。

研究人员表示:“此类质子很容易会流到外层,与二氧化碳结合,在二氧化钛层提供支持的催化剂作用下,形成一氧化碳,未来可形成甲醇。燃料聚集在纳米管之间的空间内,很容易排出,然后被收集。”

重要的是,纳米管管壁的中间层会将水氧化产生的氧气保存到内层,并阻止外部的二氧化碳和演化的燃料分子渗透到内部,从而将两个无法兼容的化学反应区分隔开来。

此种设计模拟了真实的活性光合作用细胞,此种细胞会将氧化和还原反应与叶绿体内的有机膜室分隔开。与大自然的原始设计一样,该团队的膜管可允许光合作用在较短的距离内发生,最大限度地减少离子传输时的能量损失,并防止发生可能降低系统效率的意外化学反应。

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