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 专家声音

'合成'叶子:未来的能源植物? (Kavli圆桌会议)

艺术家的细菌的概念
艺术家在纳米线周围包裹着纳米线的细菌的概念,在加利福尼亚大学,伯克利天然合成光合系统中喂养他们的电子。 (图片:加利福尼亚大学,伯克利)

艾伦布朗 ,Writer和Blogger为Kavli Foundation 向现场科学贡献了这篇文章 专家声音:OP-ED& Insights.

想象一下,使用植物生长加热家庭和汽油的天然气。人们可以将这种形式的太阳能存储在汽车的燃料箱中,通过管道分发,并在加油站上购买。并且每个人都可以使用它而不将单一分子的温室气体二氧化碳(CO2)加入到大气中。

绿色植物和一些细菌每天基本上都这样做, 通过光合作用,将水和二氧化碳转化为糖。糖是一种有机燃料,将太阳的能量储存在夜间或在春天醒来时醒来的时候。但假设工程师可以调整这种自然过程以生产天然气或汽油? 

纳米科学的进展迅速使视觉更接近现实。在最近发表在纳米字母的论文中 , Chifornia大学Kavli Energy Nanoscience和Chemistry Chemistry教授的联合主任Peidong Yang LED了一个团队,通过组合纳米级半导体和转基因细菌来实现合成光合作用。 

通过结婚纳米科学和生物学,杨和他的同事创造了一种生物学启发,但完全是人造的系统,将太阳的光线转化为燃料和化学品。该系统使用长,纳米级细丝将阳光变为电子,细菌用来将二氧化碳和水转化为丁醇燃料和更复杂的分子,如醋酸酯,化学积木和金属酰胺,用于制造抗疟药。 

今年8月,杨的团队使用了类似的方法来制造甲烷,是天然气最重要的成分。它使用纳米线将水分成氧气和氢气,并将氢气的细菌转化为甲烷。

Kavli基金会邀请了三位领先的研究人员讨论了这项有前途的技术,这是遗留前仍然存在的路障,以及科学如何从大自然的天才中学到。

参与者是:

培刚阳, 联合主任 Kavli Energy Nanocience Institute 在伯克利国家实验室和加利福尼亚大学的化学教授伯克利。杨于巴斯夫作为加州研究联盟的主任,是美国能源部的创始成员(DOE) 人工光合作用联合中心(JCAP).

托马斯摩尔 是一位化学和生物化学教授和过去董事 生物能源中心& Photosynthesis 在亚利桑那州立大学。他是美国光学生物学学会的过去的总统,以及母鹿的团队领导者 生物启发太阳能燃料生产中心.

泰德·萨金特 是多伦多大学的电气和计算机工程教授,他是纳米技术和副院长为应用科学与工程学院的研究。他也是两家纳米技术公司的创始人:invisage Technologies和xagenic。 

从左到右,TED Sargent(Courtesy Toronto Engineering Tourstalsy),Peidong Yang(Calkeley Courtysy大学)和Thomas Moore(亚利桑那州立大学礼貌的汤姆故事)。

以下是其圆桌会议讨论的编辑成绩单。参与者有机会修改或编辑他们的言论。

TKF:太阳能电池做得很好地将阳光转化为电力。将光线转换成燃料似乎更复杂。为什么要经过麻烦? 

托马斯摩尔 : 这是个好问题。为了创造可持续的太阳能驱动的社会,我们需要一种储存太阳能的方法。利用太阳能电池,我们可以有效地发电,但我们不能方便地将该电力存储在多云时使用—或者在晚上。如果我们想要大量的能量,我们必须将其存放为化学能量,以煤炭,油,天然气,氢气和生物质锁定的方式。  

培刚阳 : 我同意。也许,有一天,研究人员将提出一种有效的电池来存储由太阳能电池产生的光电能。但光合作用可以在一步中解决能量转换和储存问题。它在有机分子的化学键中转换和存储太阳能。

泰德·萨金特: 大部分地球电力基础设施—从汽车,卡车和飞机到燃气发电机—基于碳的化石燃料构建。因此,创建一种可以产生可以使用此基础设施的液体燃料的新技术是可再生能源技术的一个非常强大的竞争优势。  

此外,我们的能量需求随着季节而变化。在加拿大,加热冬季能源使用。也许我们可以建立一个电池来存放足够的能量,过夜加热家园,但更大的长期挑战是储存我们在夏季捕获的能量,并使用它在冬季加热我们的国家3500万人。 

化石燃料的显着能量密度,所有这些都是由古代光合作用产生的能量,使其成为可能。因此,在将阳光转换为燃料的同时,燃料总能成本比电力更大,液体燃料具有较高的价值,因为它们可以满足可再生能源供需之间的季节性差距。 

最后,合成光合作用是一种碳 - 中性溶液,因为我们在燃烧期间返回的每种二氧化碳分子将一个二氧化碳分子脱离大气。 

TM值。: 正如TED所暗示的那样,这背后的司机是全球碳循环完全失控。燃烧的化石燃料在大气中将二氧化碳放在比光合作用更快的速度。一个拉出每种碳的系统,我们烧掉空气并将其转化为燃料是真正碳中性的。 

[大气]今年二氧化碳水平超过400份百万分之一。如果他们达到500或600百左右,环境影响将是严重的。我们需要某种形式的碳捕获和储存。这导致了培根的系统,因为它可以从大气中去除大量的二氧化碳,使用一些燃料,并使碳岩石超出过量。以这种方式,它可以将大气二氧化碳降低到工业前水平。 

TKF:杨教授,您创建了一个半合成和半自然的光合系统。给了你这个想法的原因是什么?

p.y .: 当伯克利设计了一个完全集成的太阳能 - 燃油发电机时,故事超过10年前。我们试图模仿自然光合作用的内容。 

我们使用半导体来捕获太阳能并产生电流。我们使用电流激励两种催化剂—加速化学反应而不实际参与其中的材料。一种催化剂还原,或添加电子至,二氧化碳和第二氧化物[从]水中的第二氧化,以产生氧气,这是天然光合作用中发生的影响。合成的CO2催化剂是问题,因为它们根本不是很有效。 

因此,大约五年前,我们决定尝试使用本性来发挥那些二氧化碳催化剂的作用。一些细菌,如 Sporomusa ovata. ( S. ovata. )实际上具有减少CO 2的能力非常非常高的选择性,这意味着它们向CO2递送电子,以制备一种特异性有机分子,而不是别的。 

在我们的系统中,我们仍然使用无机材料来捕获阳光并产生电子。但我们将电子发送到  S. ovata. ,它使用它们将CO2转为醋酸酯,更复杂的分子。然后我们使用第二个细菌,  大肠杆菌  ( 大肠杆菌 )将醋酸盐转化为更复杂的化学品。 

泰德·萨金特's recent work at the University of Toronto seeks to set new records for LED efficiency by embedding quantum dots in ceramics that have very few defects (which could impede the movement of electrons in the material). (图片信用:多伦多工程大学/艾拉Marushchenko)

TKF:您认为这种类型的混合系统—合成轻型转换器和天然催化剂的组合—是未来的方式吗?

p.y .: 老实说,我不太确定这是创造人造光合体系的最佳方式。 

我们擅长有效地从轻微的电子产生电子,但化学合成始终限制了我们过去的系统。该实验的一个目的是表明我们可以将细菌催化剂与半导体技术整合。这让我们了解并优化真正的合成光合系统。

最终,我们希望采取我们学习和开发合成催化剂的性能与细菌相似。这将让我们放在一起更强大,完全集成的太阳能 - 燃料发生器。同时,我们目前的方法代表了一个中间步骤,让我们以新的方式了解人造光合作用。 

T.S. :Peidong正确地将重点放在完全这个问题上:生物学会教我们关于制作燃料的方法吗?他的模型系统使得可以探索一些非常重要的物理和化学。这不是直接或字面意思模仿性质。相反,它是关于学习大自然的指导方针,其关于如何制作令人难以置信的有效和选择性催化剂的规则,然后使用这些见解来创造更好设计的解决方案。

TKF:有没有办法创建合成催化剂的类型杨设想? 

T.S.: 大自然已经取出了高效的CO2-液体燃料催化剂。我们还没有设法这样做。特别是,正如Peidong所指出的那样,我们需要高选择性来制造我们想要的产品,没有不希望的侧面产品。我们还需要迅速转化化学品的催化剂,而且没有让我们为他们的高吞吐量支付能源罚款。最后,自然使用丰富的材料构建催化剂。在所有这些方面,大自然让我们击败。但它也很令人兴奋,因为大自然证明它是可能的。这是之前解决的问题。 

TM值。: 那些非常好的观点。由于多种原因,自然的催化剂是显着的。他们自我组装,自然修理他们的任何损坏。他们总是使用丰富的材料,因为大自然并不乱用任何稀有或昂贵的东西。他们总是在环境温度下工作。 

正如TED所说,大自然的催化剂不需要大量的过量能量。当化学家希望化学反应更快,我们加热或施加更多的电压。大自然没有任何一种选择,所以它必须通过寻找低能量通路来解决这个问题。 

再次,如同泰德和培龙所提到的,选择性非常重要。我们的工业社会消耗了许多能源分离我们沿途的所有其他垃圾的所需化学品。自然制作它想要的东西,它几乎总是纯粹的。 

大自然证明它是可能的,但我们仍然是一种避免自然催化力的方法。但是,培龙的工作建立了这种技术和自然可以共同努力。 

TKF:让我回到早些时候提到的杨教授。您的系统正在制作一种叫做醋酸盐的化学物质。为什么这重要?

p.y .:  CO2具有一个碳原子,因此与CO 2的一个碳原子制成化学物质相对容易。但它更为理想— and difficult —用多于一个碳原子创造化学物质。醋酸酯有两种碳,我们的混合系统证明我们可以创造这样的分子。 

虽然醋酸盐不一定是我们最期望的最终产品,但它是生物合成中的共同构建块。在我们的研究中,我的Berkeley合作者,米歇尔张,转基因  大肠杆菌  将醋酸盐转化为更有趣的化学品,例如丁醇燃料,可生物降解的聚合物和药物前体。 

如果我们可以在室温和压力下设计这种碳碳耦合的合成催化剂,那将是奇妙的。但是,我们不知道该怎么做。

TM值。:  我认为培根对制作醋培是一种谦虚。我的意思是,如果你从二氧化碳到醋酸盐,那么所有的繁重升降都已经完成了。你已经生产了碳碳键。 

TKF:为什么这么重要? 

TM值。: 因为双碳单元是整个不同代谢途径的整个混乱的基本原料。例如,当我们的身体代谢我们吃的脂肪酸时,它将它们倒入两种碳单元。从那些两碳单位,它使它需要的一切。因此,碳 - 碳单元在新陈代谢中非常重要,比单碳单位更常见。 

TKF:所以醋酸咖啡是一个很好的建筑块?

TM值。:  是的,有有生物会喜欢与它建立。另外,我们了解更多信息,我们可以使用该知识来创造合成催化剂以使丁醇,汽油,更长的链碳氢化合物—一旦你得到醋酸盐,它就是热力学上可能的。所以这是一个很大的事。 

T.S.:  它是,特别是燃料。

TKF:杨教授,混合系统的一个不寻常的方面之一是它使用纳米线将光线转换为电子。为什么使用纳米线而不是更传统的太阳能电池板? 

p.y .:  这与原始设计的一个关键要求涉及:我们希望将电子从我们的半导体转移到我们的  S. ovata.  细菌,其作为我们的二氧化碳催化剂。为此,我们希望最高可能的表面积,使得我们将更多的细菌与半导体接触并减少更多CO2。纳米线这样做,因为它们向上延伸,如树木。他们创造一个森林,你可以将更多的细菌挤进三维森林而不是在二维平坦表面上。

加州大学伯克利大学扫描电子显微照片,纳米线细菌阵列,细菌使用来自纳米线的电子将二氧化碳变成燃料和化学中间体。 (图片:加利福尼亚大学,伯克利)

TKF:这必须在液体中进行?

p.y .: 是的。我们在水中做出这种化学,细菌活着。 

T.S.: 培龙一直是纳米线的先驱超过十年。他的成长薄纳米线的能力是一种非常强大的技术,使致密的细菌生长成为可能。这是该系统可以将正确数量的电子数量转移到正确数量的细菌的根本原因。

TM值。: 催化剂,介导化学反应,当我们不试图急于急于,通常更有效地运行。因此,这些纳米线的数量越多,我们可以适应的细菌越多。然后,即使每个细菌催化剂都会缓慢反应,您仍然可以在不置于大量能量的情况下进行大量输出。那是整个球场—使用更少的电源来获得更多产品。 

TKF:我从没想过吸收电子的细菌。他们如何做到这一点?

TM值。: 所有生物的东西都是电子作为他们摄取和代谢以提取能量的分子的一部分。我们现在了解到,某些细菌实际上可以通过称为Pili通过其膜伸出的Pili的专门螺纹结构来收集电子。这些PILI可以在技术和生物学之间的界面中发挥关键作用。

牡蓉,电子是如何进入细菌的?

p.y .: 基于早期研究,  S. ovata.  直接从纳米线吸收电子,而不是通过化学介体。事实上,有许多细菌可以常规地做到这一点。

TM值。: 绝对地。他们只是在做什么生活,采取精力充沛的电子,给予它们到氧气或另一电子受体,并提取这两个过程之间的能量差以保持活力。

TKF:您是否必须转基因Sporomusa这样做?

p.y .:  No.S.Ovata,我们使用的细菌菌株,只有吸收电子的令人惊异的能力,并使用它们来处理二氧化碳进入醋酸盐。

TKF:所以,发电燃料怎么样?现在S. ovata将电子转化为醋酸盐,并且e大肠杆菌将其转化为丁醇或其他东西。你觉得你可以在一步一步吗?

p.y .: 我会假设,对,汤姆?

TM值。: 当然。我们可以使用合成生物学来再造的方式几乎难以想象。 Screps研究所的Pete Schultz已经有21种氨基酸的细菌,其中一个是完全新的。细菌已被编程为所有遗传物质和复制这种非天然氨基酸所必需的信息,并将其作为其新陈代谢的一部分。在伯克利就在那里,你有杰伊克斯灵。他有细菌可以从醋酸盐中做出几乎任何东西。

TKF:杨教授,我们可以让你的系统高效,紧凑足以在工业使用吗?

p.y .: 原则上,它能够缩放。但我们需要在我们考虑商业可行性之前将太阳能转换效率提高5%至10%。 

TKF:转换率听起来很高。它如何与天然植物和细菌的转化率相比?

p.y .: 实际上,绿色植物的效率非常低,通常低于1%。 

TM值。: 是的,不到1%的落在农作物领域的年平均太阳能的百分之一度保守并作为化学能。这远远低于市售的太阳能电池,其产生20%或更高效率的电能,但太阳能电池不能储存它们的能量。

p.y .: 真实,并通过组合最好的技术和生物学,我们可以做一些类似于天然光合作用的东西,但潜在的效率更高。

TKF:是的,我们已经谈过了很多关于学习的学习。我们有合适的工具吗? 

TM值。: 我们需要我们可以得到的所有工具。我们需要将自己重新修复基础研究。 

T.S.: 我和汤姆在一起。我们需要更多的工具,这些工具来自基础科学。让我提到一个真正兴奋我的人。让我们理解和预测分子,材料和催化剂的能量状态和反应性的计算模型。 

这是一个促使不同的研究人员的工具,坦率地遇到了困难的时间。在学习酶的人的房间里—在大自然催化剂中服务的蛋白质—和研究合成异质催化剂的人,系统如此不同,很难知道在哪里开始谈话。计算材料科学有助于我们彼此学习关于大自然的催化剂与我们构建的催化剂的不同。 

TM值。: 我绝对同意。实际上只有几个化学反应的点实际上是可观察的,有时很少。模型帮助我们了解这些反应,以及如何通过这些高能量山脉在低能量途径上移动原子和电子。它已经开辟了各种各样的门。 

如果你're a topical expert —研究员,商业领袖,作者或创新者—并想贡献一个op-ed块, 在这里给我们发电子邮件 .

p.y .: 我完全同意。要提出更好的合成催化剂,我们需要在原子和分子尺度上学习自然。因此,对不同研究社区的研究人员来说,这对彼此交谈并交流思想非常重要。 

TKF:那么,你认为你将在五年内工作和做什么?

p.y .: 我想我将努力提高细菌的效率和它们所产生的化学品。更重要的是,我非常非常兴趣地学习这些细菌过程如何CO2。希望,我们可以从他们的设计中学习,并开发具有体面的选择性,活动和体面的合成催化剂 能源效率 .

T.S.: 我不想重复佩东刚说的话,但我会因为他真的瞄准最重要的问题,从大自然学习。我会添加一个我真正兴奋的额外问题。虽然我们比在光线收获方面比大自然更先进,但我们仍然有很多东西可以了解如何操纵我们的系统中的电子。 

我们还需要了解如何从不成本,有毒或能源密集的材料制作光线收割系统。自然在室温下合成那些材料,能量成本非常低,并且它们使用相干效应在长距离距离发生的中心,以便在发生反应的中心。我很高兴能够在强大的生物学启发能源运输中工作。 

TM值。: 那些是深刻的目标。我不确定五年来我将要做什么。我将跟随泰德和培龙正在做的事情,我相信他们的发现会让我以新的方式考虑事情。脱离了,我相信我会发现一些新的基本问题来努力,我希望工作有用。 

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