“如果我們要建立循環和可持續的經濟，化學工業是我們需要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·哈米德化學系教授歐文·賴斯納說。 “我們需要找到方法來消除這個重要部門的化石燃料，該部門生產我們都需要的許多重要產品。這是一個實現這一目標的巨大機會。”
現在，由劍橋大學領導的一個團隊正在探索創新方法，最終可以“去化石化”這個至關重要的行業。
他們的突破涉及一種混合設備，該設備結合了吸光有機聚合物和細菌酶，將陽光、水和二氧化碳轉化為甲酸，這是一種可以促進額外化學反應的清潔燃料。
這種“半人造葉子”複製了光合作用，這是植物將陽光轉化為能量的自然過程，並且完全依靠自己的能量運行。與之前依賴有毒或不穩定光吸收劑的設計不同，這種新型生物混合模型使用無毒材料，運行效率更高，並且無需額外添加劑即可保持穩定。
在實驗室測試中，該團隊成功利用陽光將二氧化碳轉化為甲酸鹽，然後直接應用於“多米諾骨牌”反應，合成了一種有價值的藥物化合物，實現了高產率和純度。
根據發表在 焦耳這是有機半導體首次在生物混合系統中用作光捕獲組件，為新一代生態人造樹葉鋪平了道路。
化學工業仍然是世界經濟的支柱，生產各種商品：藥品和化肥、塑料、油漆、電子產品、清潔劑和盥洗用品。
“如果我們要建立循環和可持續的經濟，化學工業是我們需要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·哈米德化學系教授歐文·賴斯納說。 “我們需要找到方法來消除這個重要部門的化石燃料，該部門生產我們都需要的許多重要產品。這是一個實現這一目標的巨大機會。”
賴斯納的研究小組專門開發人造葉子，將陽光轉化為碳基燃料和化學品，而不依賴化石燃料。但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會快速降解，浪費大量太陽光譜，或含有鉛等有毒元素。
“如果我們去除有毒成分並開始使用有機元素，我們最終會得到一個乾淨的化學反應和單一的最終產品，沒有不需要的副反應，”在賴斯納實驗室進行這項研究的 Celine Yeung 博士說。 “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細菌酶集成在一起，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挑戰：大多數係統需要化學添加劑（稱為緩沖劑）來保持酶的運行。這些會很快損壞並限制穩定性。通過將輔助酶碳酸酐酶嵌入多孔鈦結構中，研究人員能夠在簡單的碳酸氫鹽溶液（類似於蘇打水）中運行該系統，而無需任何不可持續的添加劑。
“這就像一個大謎題，”賴斯納實驗室的博士後研究員劉永鵬博士說。 “我們擁有所有這些不同的組件，我們希望將它們聚集在一起以實現單一目的。我們花了很長時間才弄清楚如何將這種特殊的酶固定在電極上，但現在我們開始看到這些努力的成果。”
“通過真正研究酶的工作原理，我們能夠精確地設計構成三明治狀裝置不同層的材料，”楊說。 “這種設計使部件能夠更有效地工作，從小型納米級到整個人造葉子。”
測試表明，人造葉子產生大電流，並在將電子引導至燃料生成反應方面實現了近乎完美的效率。該設備的續航時間超過 24 小時：是之前設計的兩倍。
研究人員希望進一步開發他們的設計，以延長設備的使用壽命並使其適應生產不同類型的化學品。
賴斯納說：“我們已經證明，製造太陽能設備不僅高效、可持續，而且不含有毒或不可持續的成分，是可能的。” “它可能成為未來生產綠色燃料和化學品的基本平台——這是進行令人興奮且相關的化學的真正機會。”
該研究得到了新加坡科學技術研究局（A*STAR）、歐洲研究理事會、瑞士國家科學基金會、皇家工程院和英國研究與創新局（UKRI）的支持。歐文·賴斯納 (Erwin Reisner) 是劍橋大學聖約翰學院的院士。 Celine Yeung 是劍橋大學唐寧學院的院士。
