這種生物雜交葉子通過將二氧化碳和陽光轉化為有用的化學物質來模擬光合作用。

研究人員展示了一種新的環保方法來生產化學品，這些化學品是我們每天使用的數千種產品（從塑料到化妝品）的基礎。

化學工業生產數十萬種化學品，將原材料（通常是化石燃料）轉化為有用的最終產品。由於其規模和化石燃料的使用，化學工業約佔全球碳排放量的 6%。

但劍橋大學領導的研究人員正在開發新技術，有一天可能會導致這一重要領域的“去化石化”。

他們開發了一種混合裝置，將光捕獲有機聚合物與細菌酶結合起來，將陽光、水和二氧化碳轉化為甲酸，這是一種可以刺激進一步化學轉化的燃料。

它們的“半人造葉子”模仿光合作用：植物利用它將陽光轉化為能量，不需要外部電源。與經常使用有毒或不穩定的光吸收劑的早期原型不同，新的生物混合設計不包含有毒半導體，使用壽命更長，並且無需使用以前會降低效率的額外化學品即可運行。

在測試中，研究人員利用陽光將二氧化碳轉化為甲酸鹽，然後直接將其用於化學多米諾骨牌反應，以高產率和高純度生產一種重要的藥物化合物。

他們的結果 報導 在雜誌上 焦耳標誌著有機半導體首次被用作此類生物混合設備中的光收集組件，為新的可持續人造葉子系列打開了大門。

化學工業是全球經濟的核心，生產從藥品、化肥到塑料、油漆、電子產品、清潔產品和盥洗用品等產品。

“如果我們要建立循環、可持續的經濟，化學工業是我們必須解決的一個大而復雜的問題，”領導這項研究的劍橋大學優素福·哈米德化學系的歐文·賴斯納教授說。 “我們必須想出辦法來拆除這個重要的部門，它生產我們都需要的如此多的重要產品。如果我們能做對的話，這將是一個巨大的機會。”

賴斯納的研究小組專門開發人造葉子，將陽光轉化為碳燃料和化學品，而不依賴化石燃料。但他們的許多早期設計依賴於合成催化劑或無機半導體，這些催化劑或無機半導體要么快速降解，失去大部分太陽光譜，要么含有鉛等有毒元素。

“如果我們能夠去除有毒成分並開始使用有機元素，我們最終將得到一個乾淨的化學反應和一個單一的最終產品，沒有任何不需要的副反應，”該研究的合著者 Celine Yeung 博士說，她在博士學位期間完成了這項研究。在賴斯納的實驗室工作。 “該設備結合了兩方面的優點：有機半導體可調且無毒，生物催化劑具有高選擇性和高效性。”

新設備將有機半導體與硫酸鹽還原菌的酶相結合，將水分解為氫氣和氧氣，或將二氧化碳轉化為甲酸鹽。

研究人員還解決了一個長期存在的問題：大多數係統需要稱為緩沖劑的化學添加劑來保持酶的工作。它們可能很快就會失效並限制穩定性。通過將輔助酶碳酸酐酶整合到二氧化鈦的多孔結構中，研究人員允許該系統在簡單的碳酸氫鹽溶液中運行，類似於碳酸水，並且沒有不友好的添加劑。

“這就像一個大謎題，”該研究的合著者、賴斯納實驗室的博士後研究員劉永鵬博士說。 “我們試圖將所有這些不同的組件組合起來以達到一個目的。我們花了很長時間才弄清楚這種特殊的酶是如何固定在電極上的，但現在我們開始看到這些努力的成果。”

“通過真正了解酶的工作原理，我們能夠精確設計構成三明治裝置不同層的材料，”榮格說。 “通過這種設計，從微小的納米級尺寸到完全人造的薄片，這些部件可以更有效地協同工作。”

測試表明，人造薄片可以產生大電流，並在燃料生產反應中引導電子方面達到近乎完美的效率。該設備成功運行超過24小時，是之前型號的兩倍多。

研究人員希望繼續開發他們的設計，以延長設備的使用壽命，並使其適應生產不同類型的化學產品。

賴斯納說：“我們已經證明，製造出不僅高效、耐用，而且不含有毒或非環保成分的太陽能設備是可能的。” “這可能成為未來生產清潔燃料和化學品的基本平台。這是進行有趣且重要的化學研究的真正機會。”