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氮变氨:《Science》报道“纳米+生物”技术利用光能固氮

点击数:11562016-04-28 14:57:32 来源: x-mol

氨(NH3) 既可用于生产对现代农业非常重要的肥料,也有希望用于燃料电池来驱动电动汽车,是非常重要的化工产品。尽管地球大气中含有将近80%的氮气,但要用这种看 似触手可得的原材料合成氨却并不容易,氮气相当稳定的氮氮三键很难打开,目前有两个方法可以相对高效率的做到这一点。一个是自然过程——细菌固氮(见下图),固氮菌(nitrogen-fixing bacteria)利用固氮酶可在室温下利用氮气合成氨,但这个前后八步的生物过程相对缓慢,而且需要消耗细胞中至关重要的能源三磷酸腺苷(ATP);另一个是有着百年历史的哈伯法Haber-Bösch process), 利用氮气和氢气制造氨,引发了肥料生产的大变革,促进了全球粮食产品史无前例的增长,德国人哈伯(Fritz Haber)也因此获得了1918年的诺贝尔化学奖。但这个方法效率虽高,但条件苛刻,需要高温和高压,耗能巨大而且产生大量的温室气体二氧化碳。有没有 办法能结合这两种方法的优点呢?化学家们一直在寻找这样的方法,但却收获甚微。

细菌固氮过程示意图。图片来源:Al Hicks/National Renewable Energy Laboratory

最近,美国能源部(DOE)下属的国家可再生能源实验室(NREL)在这个领域内取得了突破。NREL的Paul W. King博士和多所大学合作,在《Science》杂志上报道了一种“纳米+生物”技术,可利用光能固氮。他们使用硫化镉(CdS)纳米晶体吸收光能,驱动固氮酶在细胞外将氮气转化为氨。(Light-driven dinitrogen reduction catalyzed by a CdS:nitrogenase MoFe protein biohybrid. Science, DOI: 10.1126/science.aaf209)

研 究人员在这项研究中测试了多种氧化还原活性的纳米晶体,最终选定了硫化镉(cadmium sulfide,CdS)纳米晶体,它可以高效的捕获光能并将电子传递到固氮酶复合物中的一个蛋白单元——钼铁蛋白(molybdenum-iron protein),钼铁蛋白再利用这些电子将氮气转化为氨(见下图)。也就是说,硫化镉纳米晶体捕获的光能,代替了自然过程中的ATP化学能,这也意味着 可以使用太阳能来驱动固氮产氨。在最佳条件下,整个反应的转换率(turnover rate)为75/min,是自然条件下细菌固氮反应速率的63%。



图片来源:Al Hicks/National Renewable Energy Laboratory

尽管这一方法的效率远远比不上工业上成熟的哈伯法,但是这一方法使用太阳能不依赖化石燃料、不排放温室气体、条件温和,无疑更适合可持续发展。“哈伯法目前消耗世界化石燃料供应的两成左右,”参加了此项研究的犹他州立大学Lance Seefeldt教授说,“所以,这项新工艺采用纳米材料捕获光能,或许能改变游戏规则。”

加州大学伯克利分校的华人大牛杨培东教授也曾使用硫化镉纳米晶体,将非光合作用的细菌改造成一种可以进行光合作用的系统,可将二氧化碳还原成乙酸,他高度评价了这个“纳米+生物”的新技术。“通过传统方法还原类似氮气和二氧化碳的小分子是很难实现的,”他说,“但这个方法抓住了两大尖端技术的优势:纳米半导体结构卓越的光捕获能力,以及生物系统的强大催化能力。”

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