（人工光合作用过去用来生产可循环氢分子，用于与二氧化碳合成甲烷。图片来源: Berkeley Lab）

美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的一支研发团队，开发了一种生物无机混合的方法，使得人工光合作用迈向另一个里程碑。他们开始产生了相当多的争论，关于使用半导体纳米线和细菌电子合成二氧化碳转化为乙酸的混合动力系统，但该团队现在已经开发了一套混合动力系统，可以产生可再生氢分子，并用它来合成二氧化碳转化成甲烷，即天然气的主要成分。

“这项研究代表了在太阳能-化学能转换效率和人工光合作用的另一个重要突破，”伯克利实验室材料科学部的化学家，也是该研究的领导者之一杨培东说。 “通过产生可再生氢，并供给到微生物用于生产甲烷，现在我们可以期望电-化学效率高于50%，以及10％的太阳能-化学能量转换效率，在我们的系统使用最先进的太阳能电池板和电解槽前提下。”

杨会主持加州大学伯克利分校和能源科维理研究所纳米科学（卡弗里-ENSI）伯克利分校的会议，他是这项研究的论文的三个作者之一，文章发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)》杂志上。文章的题目是“A hybrid bioinorganic approach to solar-to-chemical conversion”，其他两位作者是Michelle Chang 和 Christopher Chang。他们也会主持这个与伯克利实验室和加州大学伯克利分校的联合会议。此外，Chris Chang是霍华德·休斯医学研究所（HHMI）的研究员。

光合作用是由自然从阳光中收集能量，并用它来与二氧化碳和水合成碳水化合物的过程。碳水化合物是存储被活细胞使用的化学能的生物分子。在伯克利实验室团队最初开发的混合人工光系统中，硅和氧化钛纳米线阵列收集太阳能，并交付电子给那些使用它们来减少二氧化碳成各种增值化学产品的微生物。在新系统中，太阳能被用于将水分子分裂为分子氧和氢。氢被运送到微生物，并使用它来降低二氧化碳，转化成一种特定化学品，甲烷。

“在我们最新的工作中，我们证明了两个关键的进步，”Chris Chang说。 “首先，我们利用可再生的氢为二氧化碳固定开辟了可能性，而这些氢气来自任何可持续能源，包括风，水热法和核的；第二，证明了一个有希望的生物体可以利用可再生氢，我们现在可以通过合成生物学，扩展到其他生物体和其他增值化工产品。“

这两项研究的概念基本上是相同的——可以利用太阳能的半导体纳米线薄膜，被细菌充满，可获取并使用该能量，并产生目标的碳基化学物。在新的研究中，膜由磷化铟光电阴极和二氧化钛光阳极组成。而在第一项研究中，研究团队使用的是Sporomusaovata，这是一种厌氧细菌，容易从周围环境接收电子来减少二氧化碳，在新的研究中，研究团队使用Methanosarcinabarkeri填充膜，这是一种厌氧古细菌，使用氢而不是电子来减少二氧化碳。

“使用氢而不是电子作为能量载体，使得其变更为有效的方法，如分子氢，通过其化学键，有用于存放和运输能量高得多的密度，”Michelle Chang表示。

这个伯克利团队最新报告的薄膜，太阳能被吸收和使用，来产生析氢反应（HER）。 HER由地球上资源丰富的硫化镍纳米颗粒催化，可以有效在生物相容的条件下起作用。产生于HER的氢气可以直接被Methanosarcinabarkeriarchaeon使用，并在膜上产生甲烷。

“我们选择甲烷作为初始目标，是由于产物便于分离，集成到现有的基础设施用于输送和使用天然气有很大潜力，而事实上，使用合成催化剂将二氧化碳的直接转换到甲烷已被证明是一个很大的挑战，“Chris Chang说。 “由于我们绝大多数的甲烷是从天然气这个矿物燃料获取的，往往是从水力压裂法的甲烷，从可再生氢源产生甲烷的能力是一个重要的进步。”

Yang补充道，“虽然我们是从自然的光合作用获取灵感，并不断从中学习，通过添加纳米技术，以帮助改善我们的效率，事实显示有时可以做的甚至比自然系统的效率更高。”

新材料在线编译整理——翻译：Gary      校正：摩天轮