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生物混合物可以将二氧化碳转化为新产品

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如果人类曾经希望在火星上殖民,定居者将需要在行星上制造从燃料到的各种有机化合物,这些化合物太昂贵了,无法从地球上运送。

加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的化学家对此有一个计划。

在过去的八年中,研究人员一直在研究一种结合细菌和纳米线的混合系统,该系统可以捕获阳光能量,将二氧化碳和水转化为有机分子的构建基块。纳米线是一根细的硅线,大约是人类头发宽度的一百分之一,被用作电子组件,还被用作传感器和太阳能电池。

“在火星上,大气中约有96%是二氧化碳。基本上,您所需的就是这些硅半导体纳米线吸收太阳能并将其传递给这些臭虫,以便为您进行化学处理,”项目负责人杨培东说,化学教授,加州大学伯克利分校的化学教授和SK和Angela Chan能源杰出主席。“对于深空任务,您需要关心有效载荷的重量,生物系统具有自我复制的优势:您无需发送大量信号。这就是为什么我们的生物混合动力版极具吸引力的原因。”

伯克利实验室高级研究员兼Kavli主任Yang表示,除阳光外,唯一的其他要求是水,在火星上极地冰盖中水相对丰富,很可能位于地球大部分区域的地下。能源纳米科学研究所。

生物混合物还可以从地球上的空气中吸收二氧化碳,以制造有机化合物,并同时应对气候变化,这是由大气中人为产生的过量CO2引起的。

在3月31日发表在Joule杂志上的一篇新论文中,研究人员报告了将这些细菌(Sporomusa ovata)包装入“纳米线森林”以达到创纪录效率的里程碑:3.6%的传入太阳能被转换并存储在碳键中的碳原子以称为乙酸盐的两碳分子形式存在:基本上是乙酸或醋。

乙酸酯分子可以作为从燃料,塑料到药物的各种有机分子的基础。许多其他有机产品可能是由转基因生物体内的醋酸盐制成的,例如细菌或酵母菌。

该系统的工作方式类似于光合作用,自然而然地,植物将其用于将二氧化碳和水转化为碳化合物,主要是糖和碳水化合物。然而,植物的效率相当低,通常将不到一半的太阳能转化为碳化合物。Yang的系统可与将二氧化碳最有效地转化为糖的工厂相媲美:甘蔗的效率为4-5%。

Yang还正在研究有效利用阳光和二氧化碳生产糖和碳水化合物的系统,从而有可能为火星殖民者提供食物。

纳米线-细菌杂化体的扫描电子显微照片,该杂化体在最佳酸度或pH值下工作,细菌可以紧密地围绕纳米线堆积。紧密堆积使太阳能更有效地转化为碳键。比例尺为1/100毫米或10微米。图片来源:加州大学伯克利分校杨培东形象

观察pH值

Yang和他的同事五年前首次展示其纳米线-细菌混合反应堆时,其太阳能转换效率仅为植物的0.4%左右,但与转换光的硅太阳能电池板的典型效率为20%或更高相比仍然较低电。大约15年前,Yang是最早将纳米线转变为太阳能电池板的人之一。

研究人员最初试图通过将更多细菌堆积到纳米线上来提高效率,这些纳米线将电子直接转移至细菌以进行化学反应。但是细菌与纳米线分离,破坏了电路。

研究人员最终发现,臭虫在产生乙酸盐时降低了周围水的酸度,即增加了称为pH的测量值,并使它们与纳米线分离。他和他的学生们最终找到了一种方法,使水保持更酸性,以抵消由于连续不断产生乙酸盐而导致pH升高的影响。这使他们可以将更多细菌包装到纳米线森林中,将效率提高了近10倍。他们能够在平行纳米线森林中运行反应器一周,而不会剥离细菌。

在此特定实验中,纳米线仅用作导线,不用作太阳能吸收器。外部太阳能电池板提供了能量。

但是,在现实世界的系统中,纳米线将吸收光,生成电子并将其传输到团聚在纳米线上的细菌。细菌吸收电子,类似于植物制造糖的方式,将两个二氧化碳分子和水转化为乙酸盐和氧气。

杨说:“这些硅纳米线本质上就像一个天线:它们像太阳能电池板一样捕获太阳光子。” “在这些硅纳米线中,它们将产生电子并将它们喂给这些细菌。然后细菌吸收二氧化碳,进行化学反应并吐出醋酸盐。”

氧气是一种附带好处,在火星上,可以补充殖民者的人造大气,这将模仿地球21%的氧气环境。

Yang通过其他方式对系统进行了调整,例如,将量子点嵌入细菌自身的膜中,该膜充当太阳能电池板,吸收阳光并消除了对硅纳米线的需求。这些靠机械装置维持生命的细菌也可以制造乙酸。

他的实验室继续寻找提高生物杂交效率的方法,并且还在探索对细菌进行基因工程改造的技术,以使其具有更多的用途并能够产生多种有机化合物。

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