伯克利实验室使用太阳能和可再生氢来生产甲烷

一个科学家团队开发了一种混合人造光合作用系统，可产生可再生的分子氢，并用它将二氧化碳合成到甲烷中。

美国能源部的研究人员团队（DOE）的劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）开发了一种生物能源杂种方法，对人工光合作用进行了另一个里程碑。用它们的半导体纳米线和细菌产生了相当的嗡嗡声，用电子将二氧化碳合成乙酸盐，该团队现已开发出一种混合系统，产生可再生分子氢气，并用它将二氧化碳合成到甲烷中，初级成分。天然气。

“这项研究代表了太阳能化学能源转换效率和人造光合作用的另一个关键突破，”伯克利实验室的材料科学司和本研究领导者之一，化学家佩德东杨说。“通过产生可再生氢并将其饲养给微生物以生产甲烷，我们现在可以预期电气到化学效率优于50％，而且如果我们的系统是10％的太阳能转换效率为10％再加上艺术艺术品太阳能电池板和电解柜。“

杨某曾在伯克利举行的UC Berkeley和Kavli Energy Nanoscience Institute（Kavli-ensi）是一篇关于在国家科学院（PNA）的诉讼程序中的纸质的三个相应作者之一。本文标题为“太阳能 - 化学转换的杂交生物碳化方法”。另一个相应的作者是米歇尔张和克里斯托弗张。两者也持有与伯克利实验室和UC Berkeley的联合任命。此外，克里斯昌是霍华德休斯医学院（HHMI）调查员。（见下文纸张的作者的全部列表。）

光合作用是大自然收集阳光下能量的过程，并使用它来合成来自二氧化碳和水的碳水化合物。碳酸碳酸盐是将生物细胞使用的化学能的生物分子。在由伯克利实验室团队开发的原始混合人造光合式系统中，硅和氧化钛纳米线收集了太阳能并将电子传递给微生物，其使用它们将二氧化碳减少到各种增值的化学产品中。在新系统中，太阳能用于将水分子分成分子氧和氢气。然后将氢转运到使用它以将二氧化碳减少到一种特定化学产品，甲烷中的微生物。

“在我们的最新工作中，我们已经证明了两个主要的进展，”克里斯昌说。“首先，我们对二氧化碳固定的可再生氢的使用开辟了使用来自任何可持续能源的氢气，包括风，水热和核。其次，表现出一种使用可再生氢的有希望的生物，我们现在可以通过合成生物学扩展到其他生物和其他增值化学产品。“

这两个研究中的概念基本相同 - 一种半导体纳米线的膜，可以利用可以消除这种能量的细菌来填充太阳能并使用它以产生靶向碳的化学物质。在新的研究中，膜由磷化铟光电量和二氧化钛光阳极组成。而在第一项研究中，该团队与Sporomusa ovata一起使用，厌氧细菌，厌氧细菌，易于接受来自周围环境的电子，以减少二氧化碳，在新的研究中，团队用甲蛋白酶填充了膜，一种减少二氧化碳的Anaerobic Archaeon。使用氢气而不是电子。

“通过作为能量载体而不是电子使用氢气，通过其化学键具有更有效的过程，具有更高的储存和运输能量的密度更高，”米歇尔昌说。

在伯克利团队报告的最新膜中，太阳能被吸收并用来通过氢进化反应（她）从水中产生氢气。她通过在生物相容的条件下有效地运行的土壤富含镍硫化物纳米颗粒催化。在她中产生的氢气由膜中的甲蛋白酶野蛮的archaions直接用于生产甲烷。

“由于产品分离的便利，我们选择甲烷作为初始目标，融入现有基础设施的潜力，用于递送和使用天然气，以及将二氧化碳直接转化为甲烷与合成催化剂的事实已被证明是一个强大的挑战，“克里斯昌说。“由于我们仍然从天然气中获得大部分甲烷，往往从压裂的化石燃料，从可再生氢来源产生甲烷的能力是另一个重要的进步。”

添加杨，“虽然我们受到自然光合作用的过程的启发，并继续从中学习，通过添加纳米技术来帮助提高我们展示的自然系统的效率，有时我们可以比自然更好。”

除了相应的作者外，描述这项研究的PNA纸的其他共同作者是Eva Nichols，Joseph Gallagher，Chong Liu，Yude Su，Joaquin Resasco，Yi Yu和Yujie Sung。

这项研究主要由DOE科学办公室资助。

出版物：Eva M. Nichols等，等，“太阳能 - 化学转换的杂交生物能力，”2015年PNAS; DOI：10.1073 / PNAS.1508075112