“人工光合作用”系统效率比现有系统的10倍

在过去的两个世纪里,人类依赖于化石燃料集中能量;数亿年的光合作用装进一个方便,高能量物质。但供应是有限的,化石燃料的消耗地球上的气候有着巨大的负面影响。

“最大的挑战很多人甚至没有意识到的是,自然没有解决方案,我们使用的能量,”芝加哥大学的化学家Wenbin林说。没有光合作用很好,他说:“我们将会做得更好,这是可怕的。”

科学家正在探索一个可能的选择是“人工光合作用”改造植物的系统,使我们自己的类型的燃料。然而,化工设备在一个叶是非常复杂的,并不是那么容易变成我们自己的目的。

自然催化研究从六个化学家在芝加哥大学展示了创新系统人工光合作用比先前的人工系统更有效率的一个数量级。与常规光合作用,产生碳水化合物从二氧化碳和水,人造光合作用可以生产乙醇、甲烷,或其他燃料。

虽然有很长的路要走,才能成为一个每天为你燃料汽车,方法为科学家提供了一种新的方向,探索和短期可能有用的其他化学物质的生产。

”这是一个巨大的进步在现有的系统上,但同样重要的是,我们能够制定一个非常清楚的了解这人工系统的工作原理在分子水平上,尚未完成之前,”林说,谁是詹姆斯·弗兰克芝加哥大学的化学教授,这项研究的资深作者。

“没有自然光合作用,我们不会在这里。它让我们呼吸的氧气在地球上,它使我们所吃的食物,”林说。“但它永远不会高效足以供应燃料为我们开车;所以我们需要别的东西。”

麻烦的是,光合作用是建立创建碳水化合物,这是伟大的为我们加油,却征服不了我们的车,需要更多的集中精力。所以试图创建交替,化石燃料的研究人员需要重新设计这个过程创造更多的高能量的燃料,如乙醇或甲烷。

在自然界中,光合作用是由一些非常复杂的蛋白质的组装和颜料。他们把水和二氧化碳,打破分子分开,并重新排列原子carbohydrates-a长串hydrogen-oxygen-carbon化合物。然而,科学家需要返工反应产生一个不同的安排而不是氢多汁的碳core-CH4周围,也称为甲烷。

这个再造比听起来要复杂;人们一直在摆弄这几十年来,试图接近大自然的效率。

林和他的实验室的团队认为他们可能会添加一些人工光合作用系统到目前为止还没有包括:氨基酸。

团队开始使用一种叫做有机框架材料或财政部,一类化合物组成的金属离子有机连接在一起的分子。然后他们设计了财政部作为一个单独的层,为了为化学反应提供最大表面积,淹没一切的解决方案,包括钴复合运送电子。最后,他们氨基酸添加到财政部,尝试找出效果最好。

“最大的挑战很多人甚至没有意识到的是,自然没有解决方案,我们使用的能量。”

教授。Wenbin林

他们能够提高反应的两面:分裂的过程水和二氧化碳增加电子和质子。在这两种情况下,氨基酸帮助去更有效的反应。

即使显著改善性能,但是,人工光合作用还有很长的路要走,才能产生足够的燃料相关的广泛使用。”,我们现在,它需要由许多数量级规模作出足够的甲烷为我们的消费,”林说。

突破也可以广泛应用于其他化学反应;你需要做很多的燃料产生影响,但数量少得多的一些分子,如原料药品和尼龙长袜,等等,可以非常有用。

“很多这些基本过程是相同的,”林说。“如果你培养良好的化学反应,他们可以插入许多系统。”

先进的光子源,科学家们使用资源同步位于美国能源部的阿贡国家实验室的材料。

参考:局域网G,风扇Y, W, E, Veroneau党卫军,林W .仿生活跃网站单层有机框架人工光合作用。Nat Catal。2022年。doi10.1038 / s41929 - 022 - 00865 - 5

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