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比实物好？基于实验室的光合作用暗示新的燃料革命

我们的世界未能与塑料生产和管理 CO 2排放建立积极的关系。塑料产品种类繁多且具有重要的社会意义，但这种关系伴随着沉重的环境成本。可以理解的是，在获取替代资源方面存在巨大的商业利益，看起来答案可能会降临在我们身上。

• 真实与人造，差异

• 人工光合作用：实用性

• 太阳能的未来

这些是弗吉尼亚理工大学化学副主任兼教授、帕特里夏考德威尔教授、美国化学学会 (ACS) 可持续能源专家阿曼达莫里斯教授的令人鼓舞的发现。

她最近加入了 HEL 的现代化学播客，向我们讲述了她令人着迷的工作。她的团队致力于从可持续太阳能中采购日常生活中使用的替代商品化学品，并将太阳能转化为储存的电能。他们的人工光合作用领域超越了现有的碳基太阳能燃料。这里的潜力是含碳聚合物，可用于服装和手机技术等广泛领域的产品，这些产品都是从太阳能中获取的。

这个复杂过程背后的理论很简单：人工光合作用是人类设计的过程，它通过消耗 CO 2、水和阳光来产生能量。它模仿自然发生的相同过程以帮助植物生长，但结果是清洁、可用的能源和充足的能源。一个令人兴奋的发展，尤其是当 CO 2是一种主要的温室气体时，伴随着所有的复杂性。

正如莫里斯教授解释的那样，“我们应该将人工光合作用视为比人类燃料生产更广泛的领域。自然光合作用吸收二氧化碳和水，将它们转化为糖，全天为植物提供动力。我们正在做的是重新设想该系统以产生其他燃料。我们的工作非常关注那些聚合物前体的基本原理。”

但是为什么需要人工光合作用而不是直接利用太阳能呢？据计算，在一个半小时内，足够的太阳能照射到地球表面，足以为整个人类文明提供一整年的能源。虽然这听起来是个好主意，但和以往一样，事情从来没有那么简单。如何利用太阳的能量被证明是绊脚石，也是电池和人工光合作用的来源。

真实与人造，差异

人工光合作用从其自然表亲那里获得生物灵感，但两个系统之间存在一系列差异。效率是这里的一个主要因素，而大自然提供的例子要差得多。嵌入在膜中的植物蛋白，每一种都有独特的工作要做，只能以大约 3% 的效率运行。例如，进行水氧化的自然光合作用化学物质很快就会失效。这是一个快速发生的过程，但营业额也非常低。幸运的是，蛋白质合成可以迅速恢复流动并弥补这一不足。但是 3% 的效率模型肯定不符合行业要求，因此无法直接从植物中进行自然光合作用并将其转移到实验室。

然而，大自然的太阳能转换模型提供了更强大的商业可能性。大自然花费了无数时间来创造一个非常有效的相互连接的同心叶绿素环系统。它们间隔完美，定位在理想的角度，便于捕光分子利用太阳光子。为了类似地通过人工光合作用将太阳能转化为可用能源或燃料，Morris 教授专注于多孔材料，特别是金属有机框架 (MOF)。这些与有机配体相连的化合物离子结构或簇与太阳光子相互作用，产生还原和氧化的电子和空穴。并排，人造材料和蛋白质看起来一点也不像，但了解自然为什么会这样做，然后合成地重新创造它，这是生物灵感。

“这些有机框架，”莫里斯教授解释说，“有效地面向三维空间，是利用太阳光子的东西。根据它们的聚合物结构，我们可以改变氯仿相互定向的方式、它们的间距以及它们利用光的样子。在那个领域，我们正在密切模仿自然。”

甚至大自然的弱点也证明自己是机会。在过去的 10 年中，理解的主要步骤揭示了为什么催化剂在自然光合作用中氧化水时会分解，从而导致其效率低下。已经发现，水的氧化是通过一簇锰和钙发生的，它们由氧桥接在一起。这些看起来像金属氧化物或小金属氧簇，正是这些钴氧簇，而不是锰，才能如此迅速地氧化水。这种洞察力已经帮助像莫里斯教授这样的团体开发出可以执行相同任务的人造化合物。

人工光合作用：实用性

但是房间里的大象，以及人工光合作用的缺陷，肯定是太阳需要照耀才能产生燃料吗？地理和一年中的时间等因素，再加上阴天数会减少产量的复杂性，使其成为远非可行的财务选择。

幸运的是，该团队使用带有过滤器的太阳模拟器灯，可以真实地模拟太阳光谱。它们提供了光线通过的大气的完整细节，并且可以有效地改变过滤器，使其类似于源源不断的阳光。在工业规模上，人工光合作用系统将与电池存储合作，以平衡电力需求和电力生产。

那么，当进行人工光合作用时，它如何对 CO 2水平产生积极影响？从地球大气中去除多余的碳将是一个巨大的进步，但仅靠它本身是不够的。使用 CO 2来满足地球所有能源需求的闭环系统只能去除大约 17% 的过量二氧化碳，人们认为这些二氧化碳是人类添加到大气中的。莫里斯教授给出的例子是典型的燃烧式发动机。通过人工光合作用运行它，您将创建一个闭环循环：使用阳光来减少 CO 2，因为 CO 2然后被氧化释放能量，它再次准备好被阳光还原，在理论上，无限循环.

太阳能的未来

在接下来的 20 年内，莫里斯教授预计太阳能生产将与工业更加紧密地联系在一起。她看到了一个未来，越来越多的新事物将使用太阳能和电池来建造。距离 First Solar 赢得在亚利桑那州建造太阳能电池厂的投标已经五年了，该厂将太阳能与节省电池相结合，表明它比建造新的天然气厂便宜得多。

对她来说，这将是向前迈出的一大步，使我们摆脱了在国内收集太阳能这一长期存在的问题。事实证明，将剩余的国内太阳能回馈到国家电网非常困难。现有的基础设施并没有被设计成能做到这一点，并且为了实现这一目标而对网络过度征税会导致轮流停电和其他供应中断。相反，如果工业要建造与电池相连的太阳能农场，则可以在需求低迷时储存多余的能源，并在需要额外需求时将其抽回家庭。

我们将把它留给莫里斯教授来结束。“人工光合作用必须在未来经济中发挥作用的原因很明显。这是一个非常复杂的过程，但我希望在 20 年后让我的工作激发出能够处理人工光合作用的小部件。”

Amanda 可以在社交媒体上联系，您可以通过LinkedIn找到他们https://www.linkedin.com/in/amanda-morris-1a11b621/ Amanda 在Twitter 上是 @amorri28 – https://twitter.com/amorri28

Amanda 在弗吉尼亚理工大学的实验室页面是https://chem.vt.edu/people/faculty/teaching-and-research/amorris.html - 了解更多信息的绝佳起点。

领域：空气/废气,新能源