隨著全球對清潔、可持續能源需求的增加，科學家們正從光合作用過程中汲取靈感。羅切斯特大學的一個研究小組正在啟動一個革命性的項目，利用細菌將電子傳遞給納米晶體半導體光催化劑，從而人工模擬光合作用，旨在設計出創新的、環保的方法來製造清潔的氫燃料。

羅切斯特大學的研究人員利用半導體納米晶體作為光吸收劑和催化劑，並利用細菌向系統提供電子，從而模擬了光合作用。該系統浸沒在水中，由光驅動。細菌（大棒狀）與納米粒子催化劑（橙色小點）相互作用產生氫氣（H2，氣泡）。圖片來源：羅切斯特大學插圖/Michael Osadciw

在最近發表在《美國國家科學院院刊》上的一項研究中，羅切斯特大學Richard S. Eisenberg化學教授Kara Bren和化學教授Todd Krauss揭示，Shewanella oneidensis細菌可作為他們的人工光合作用系統的一種經濟高效的電子源。

通過利用這些微生物的獨特性質和納米材料，該系統有可能取代目前從化石燃料中提取氫氣的方法，徹底改變氫燃料的生產方式，並釋放出強大的可再生能源。

Bren說：”氫氣無疑是能源部目前高度關注的一種燃料。如果我們能夠找到一種從水中高效提取氫氣的方法，這將帶來清潔能源的驚人增長”。

理想的燃料

氫是”一種理想的燃料”，因為它對環境友好，是化石燃料的無碳替代品。

氫是宇宙中最豐富的元素，可以從多種來源生產，包括水、天然氣和生物質。化石燃料會產生溫室氣體和其他污染物，而氫與化石燃料不同，在燃燒時唯一的副產品就是水蒸氣。氫燃料還具有高能量密度，這意味著其單位重量含有大量能量。氫燃料可用於燃料電池等多種用途，既可小規模生產，也可大規模生產，因此從家庭使用到工業製造都可行。

使用氫氣的挑戰

儘管氫儲量很豐富，但地球上幾乎沒有純淨的氫；氫幾乎總是與碳或氧等其他元素結合在碳氫化合物和水等化合物中。要將氫用作燃料，必須從這些化合物中提取。

科學家歷來從化石燃料中提取氫氣，或者最近從水中提取氫氣。為了實現後者，人們大力推動採用人工光合作用。

在自然光合作用過程中，植物吸收陽光，並利用陽光進行化學反應，將二氧化碳和水轉化為葡萄糖和氧氣。從本質上講，光能被轉化為化學能，為生物體提供燃料。

同樣，人工光合作用是將豐富的原料和陽光轉化為化學燃料的過程。模擬光合作用的系統需要三個組成部分：光吸收器、製造燃料的催化劑和電子源。這些系統通常浸沒在水中，光源為光吸收器提供能量。能量使催化劑將提供的電子與周圍水中的質子結合，產生氫氣。然而，目前大多數係統在生產過程中都依賴化石燃料，或者沒有有效的電子傳遞方式。

Bren說：”目前生產氫燃料的方式實際上使其成為一種化石燃料。”我們希望通過光驅動反應從水中獲得氫氣，這樣我們就能獲得真正的清潔燃料，而且在此過程中不會使用化石燃料。”

Krauss的研究小組和布倫的研究小組大約十年來一直致力於開發一種採用人工光合作用、利用半導體納米晶體作為光吸收劑和催化劑的高效系統。

研究人員面臨的一個挑戰是找到電子源，並將電子從電子供體有效地轉移到納米晶體上。其他系統使用抗壞血酸（俗稱維生素C）將電子送回系統。雖然維生素C看起來很便宜，但”需要一個幾乎免費的電子源，否則係統就太昂貴了，”Krauss說。

Krauss和Bren在論文中報告了一種不太可能的電子供體：細菌。他們發現，Shewanella oneidensis（一種最早從紐約州北部Oneida湖採集的細菌）為他們的系統提供了一種有效的免費、高效的電子供給方式。

Bren說：”雖然其他實驗室已經將納米結構與細菌結合起來，但所有這些工作都是從納米晶體中獲取電子並將其輸入細菌，然後利用細菌機器製備燃料。據我們所知，我們是第一個反其道而行之，將細菌作為納米晶體催化劑的電子源的案例”。

當細菌在厭氧條件下生長，在有氧氣的條件下呼吸細胞物質作為燃料，在此過程中釋放電子。Shewanella oneidensis可以利用自身內部新陳代謝產生的電子，並將其捐獻給外部催化劑。

未來的燃料

布倫設想，未來每個家庭都可能擁有大桶和地下儲氫罐，利用太陽能生產和儲存小批量氫氣，使人們能夠用廉價、清潔的燃料為家庭和汽車提供動力。布倫指出，目前已有火車、公共汽車和汽車使用氫燃料電池，但幾乎所有為這些系統提供動力的氫都來自化石燃料。

她說：”新技術已經問世，但在不使用化石燃料的情況下，氫氣通過光驅動反應從水中產生之前，對環境並沒有真正的幫助。”