随着世界对清洁和可持续能源的需求不断增加，科学家们正在转向光合作用的力量来寻找灵感。为了开发新的环保技术来生产清洁燃烧的氢燃料，罗切斯特大学的一组研究人员正在开展一个开创性的项目，以模拟光合作用的自然过程，使用细菌将电子输送到纳米晶体半导体光催化剂。

在PNAS杂志上发表的一篇论文中，罗切斯特大学理查德·S·艾森伯格化学教授卡拉·布伦(Kara Bren)和化学教授托德·克劳斯(Todd Krauss)证明，细菌Shewanella oneidensis提供了一种有效免费但有效的方式，为其人工光合作用系统提供电子。

通过利用这些微生物和纳米材料的独特特性，该系统有可能取代目前从化石燃料中提取氢气的方法，彻底改变氢燃料的生产方式，并释放强大的可再生能源。

“氢绝对是美国能源部目前高度关注的燃料，”布伦说。“如果我们能找到一种方法来有效地从水中提取氢气，这可能会导致清洁能源的惊人增长。

“理想的燃料”

氢是“一种理想的燃料，”布伦说，“因为它是环保的，是化石燃料的无碳替代品。

氢是宇宙中最丰富的元素，可以从多种来源生产，包括水、天然气和生物质。与产生温室气体和其他污染物的化石燃料不同，当氢气燃烧时，唯一的副产品是水蒸气。

氢燃料还具有很高的能量密度，这意味着它每单位重量包含大量能量。它可用于包括燃料电池在内的各种应用，并且可以在小型和大型上制造，使其适用于从家庭使用到工业制造的所有领域。

使用氢气的挑战

尽管氢很丰富，但地球上几乎没有纯氢;它几乎总是与碳氢化合物和水等化合物中的其他元素(如碳或氧)结合。要使用氢作为燃料来源，必须从这些化合物中提取氢。

历史上，科学家们要么从化石燃料中提取氢气，要么最近从水中提取氢气。为了实现后者，大力推动采用人工光合作用。

在自然光合作用过程中，植物吸收阳光，利用阳光为化学反应提供动力，将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。从本质上讲，光能转化为为生物体提供燃料的化学能。

同样，人工光合作用是将丰富的原料和阳光转化为化学燃料的过程。模拟光合作用的系统需要三个组件：光吸收剂，制造燃料的催化剂和电子源。这些系统通常浸没在水中，光源为光吸收器提供能量。能量允许催化剂将提供的电子与周围水中的质子结合以产生氢气。

然而，目前的大多数系统在生产过程中依赖化石燃料，或者没有有效的方法来转移电子。

“氢燃料的生产方式现在有效地使其成为化石燃料，”布伦说。“我们希望通过光驱动反应从水中获取氢气，这样我们就拥有了一种真正清洁的燃料 - 并且在此过程中不使用化石燃料。

罗切斯特独特的系统

Krauss的小组和Bren的小组已经工作了大约十年，以开发一种采用人工光合作用的高效系统，并利用半导体纳米晶体作为光吸收剂和催化剂。

研究人员面临的一个挑战是找出电子源，并有效地将电子从电子供体转移到纳米晶体。其他系统使用抗坏血酸(通常称为维生素C)将电子传递回系统。虽然维生素C看起来很便宜，但“你需要一个几乎免费的电子源，否则系统变得太贵了，”克劳斯说。

在他们的论文中，克劳斯和布伦报告了一个不太可能的电子供体：细菌。他们发现，首先从纽约州北部的奥奈达湖收集的细菌Shewanella oneidensis提供了一种有效免费但有效的方式为其系统提供电子。

虽然其他实验室已经结合了纳米结构和细菌，但“所有这些努力都是从纳米晶体中获取电子并将它们放入细菌中，然后使用细菌机械来制备燃料，”布伦说。“据我们所知，我们是第一个走相反道路并使用细菌作为纳米晶体催化剂的电子源的案例。

当细菌在厌氧条件下(没有氧气的条件下)生长时，它们会呼吸细胞物质作为燃料，在此过程中释放电子。Shewanella oneidensis可以吸收其自身内部代谢产生的电子，并将其捐赠给外部催化剂。

未来的燃料

布伦设想，在未来，个人家庭可能会有大桶和地下储罐，以利用太阳能来生产和储存小批量的氢气，使人们能够用廉价的清洁燃料为家庭和汽车供电。布伦指出，目前有由氢燃料电池驱动的火车、公共汽车和汽车，但几乎所有可用于为这些系统提供动力的氢气都来自化石燃料。

“这项技术已经存在，”她说，“但在氢气以光驱动反应从水中出来之前 - 不使用化石燃料 - 它并没有真正帮助环境。