科学家开发高效概念方法 将二氧化碳有效地转化为清洁/可持续的燃料

他们的最新研究在实验室环境下将燃料生产效率提高了18倍，证明了污染性的碳排放可以有效地转化为绿色燃料而不浪费任何能源。这些成果在《自然-化学》和《美国国家科学院院刊》（PNAS）的两篇相关论文中进行了报道。

大多数将二氧化碳转化为燃料的方法也会产生不必要的副产品，如氢气。科学家们可以改变化学条件，以尽量减少氢气的产生，但这也降低了二氧化碳转化的性能：因此可以生产更清洁的燃料，但要以效率为代价。

剑桥大学开发的概念验证依赖于从细菌中分离出来的酶，为将二氧化碳转化为燃料的化学反应提供动力。酶比其他催化剂更有效，但它们对其当地的化学环境高度敏感。如果当地的环境不完全正确，酶就会崩溃，化学反应就会很慢。

剑桥大学的研究人员与葡萄牙新里斯本大学的一个团队合作，已经开发出一种方法，通过微调溶液条件来改变酶的局部环境，从而提高电解的效率。

PNAS论文的第一作者、剑桥大学优素福-哈米德化学系的Esther Edwardes Moore博士说：“酶经过数百万年的进化，已经具有极高的效率和选择性，而且它们对于燃料生产非常有利，因为没有任何不需要的副产品。然而，酶的敏感性带来了一系列不同的挑战。我们的方法考虑到了这种敏感性，因此局部环境被调整为符合酶的理想工作条件。”

研究人员使用计算方法来设计一个系统，以改善二氧化碳的电解。使用基于酶的系统，与目前的基准解决方案相比，燃料生产水平提高了18倍。

为了进一步改善当地的环境，该团队展示了两种酶如何一起工作，一种生产燃料，另一种控制环境。他们发现，通过添加另一种酶，加快了反应的速度，既提高了效率，又减少了不需要的副产品。

《自然-化学》论文的第一作者Sam Cobb博士说：“我们最终得到了我们想要的燃料，没有副产品，只有边际的能量损失，以最大的效率生产清洁燃料。通过从生物学中获取灵感，它将帮助我们开发更好的合成催化剂系统，如果我们要大规模部署二氧化碳电解，这正是我们需要的。”

领导这项研究的Erwin Reisner教授说：“电解在减少碳排放方面可以发挥很大作用。我们已经展示了一个新的概念，而不是捕捉和储存二氧化碳，这是令人难以置信的能源密集型，以节能的方式捕捉碳并从它那里制造出有用的东西。”

研究人员表示，更有效的二氧化碳电解的秘密在于催化剂。近年来，合成催化剂的开发有了很大的改进，但它们与这项工作中使用的酶相比仍有差距。

“一旦你设法做出更好的催化剂，二氧化碳电解的许多问题就会消失，”Cobb说。“我们正在向科学界展示，一旦我们能够生产出未来的催化剂，我们将能够摒弃目前的许多妥协，因为我们从酶中学到的东西可以转移到合成催化剂上。”

“一旦我们设计了这个概念，性能的提高是惊人的，” Edwardes Moore说。“我曾担心我们会花数年时间试图了解在分子水平上发生了什么，但是一旦我们真正理解了局部环境的影响，它的发展真的很快。”

Cobb说：“在未来，我们希望利用我们所学到的知识来解决一些目前最先进的催化剂难以解决的挑战性问题，例如直接使用空气中的二氧化碳，因为在这些条件下，酶作为理想的催化剂的特性可以真正发挥出来。”