将二氧化碳转化为清洁燃料的新的、受自然启发的概念

研究人员已经开发出一种有效的概念，可以将二氧化碳转化为清洁、可持续的燃料，而不会产生任何不需要的副产品或废物。

来自剑桥大学的研究人员此前曾表明，生物催化剂或酶可以使用可再生能源清洁地生产燃料，但效率低下。

他们的最新研究在实验室环境中将燃料生产效率提高了 18 倍，这表明污染性碳排放可以有效地转化为绿色燃料，而不会浪费任何能源。该结果发表在Nature Chemistry和Proceedings of the National Academy of Sciences 的两篇相关论文中。

大多数将 CO2转化为燃料的方法也会产生不需要的副产品，例如氢气。科学家可以改变化学条件以最大限度地减少氢气的产生，但这也会降低 CO2转化的性能：因此可以生产更清洁的燃料，但会以效率为代价。

剑桥开发的概念验证依赖于从细菌中分离出来的酶来为将 CO2转化为燃料的化学反应提供动力，这一过程称为电解。酶比其他催化剂(如金)更有效，但它们对其局部化学环境高度敏感。如果当地环境不完全正确，酶就会分解，化学反应就会很慢。

剑桥大学的研究人员与葡萄牙新葡京大学的一个团队合作，开发了一种通过微调溶液条件来改变酶的局部环境来提高电解效率的方法。

剑桥大学 Yusuf Hamied 化学系的 Esther Edwardes Moore 博士说：“酶经过数百万年的进化，变得非常高效和选择性，它们非常适合燃料生产，因为没有任何不需要的副产品。”PNAS论文的作者。“然而，酶敏感性引发了一系列不同的挑战。我们的方法考虑了这种敏感性，因此可以调整当地环境以匹配酶的理想工作条件。”

研究人员使用计算方法设计了一个改进 CO2电解的系统。使用基于酶的系统，与当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环境，该团队展示了两种酶如何协同工作，一种产生燃料，另一种控制环境。他们发现，通过添加另一种酶，它加快了反应速度，既提高了效率，又减少了不需要的副产物。

“我们最终得到了我们想要的燃料，没有副产品，只有边际能量损失，以最高效率生产清洁燃料，”自然化学论文的第一作者 Sam Cobb 博士说。“通过从生物学中汲取灵感，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 CO2电解，这就是我们所需要的。”

“电解在减少碳排放方面发挥着重要作用，”领导这项研究的 Erwin Reisner 教授说。“我们没有捕获和储存非常耗能的 CO2，​​而是展示了一种新的概念来捕获碳并以节能的方式从中获得有用的东西。”

研究人员表示，更高效的 CO2电解的秘诀在于催化剂。近年来，合成催化剂的开发有了很大的进步，但它们仍然达不到这项工作中使用的酶的水平。

“一旦你设法制造出更好的催化剂，CO2电解的许多问题就会消失，”科布说。“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，我们将能够消除目前正在做出的许多妥协，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，性能的改进就令人吃惊，”Edwardes Moore 说。“我担心我们会花费数年时间试图了解分子水平上发生的事情，但一旦我们真正意识到当地环境的影响，它就会迅速发展。”

“未来，我们希望利用我们学到的知识来解决当前最先进的催化剂难以解决的一些具有挑战性的问题，例如直接从空气中使用 CO2，因为在这些条件下，酶的特性可以作为理想的催化剂真的可以发光，”科布说。

Erwin Reisner 是剑桥大学圣约翰学院的研究员。Sam Cobb 是剑桥大学达尔文学院的研究员。Esther Edwardes Moore 在剑桥的科珀斯克里斯蒂学院完成了她的博士学位。该研究得到了欧洲研究委员会、Leverhulme Trust 和工程与物理科学研究委员会的部分支持。