美中化学家创造的“人工光合作用”系统的效率是现有系统的十倍

诸平

A study from six chemists at the University of Chicago shows an innovative new system for artificial photosynthesis that is more productive than previous artificial systems by an order of magnitude. Above, an artistic illustration of the process. Credit: Peter Allen

据美国芝加哥大学（University of Chicago）2022年11月11日报道，美中化学家创造的“人工光合作用”系统（'artificial photosynthesis' system）的效率是现有系统的10倍（Chemists create an 'artificial photosynthesis' system ten times more efficient than existing systems）。

在过去的2个世纪里，人类一直依赖化石燃料来获取浓缩的能源；数亿年的光合作用被浓缩成一种方便的、能量密集的物质。但这种供应是有限的，化石燃料的消耗对地球气候产生了巨大的负面影响。

芝加哥大学化学家林文斌（Wenbin Lin音译）说：“许多人没有意识到的最大挑战是，即使是大自然也无法解决我们消耗的大量能源问题。”光合作用也不是那么好，他说：“我们必须比大自然做得更好，这很可怕。”

科学家们正在探索的一个可能的选择是“人工光合作用（artificial photosynthesis）”——改造植物的系统，制造出我们自己的燃料。然而，单片叶子中的化学设备是极其复杂的，而且并不容易将其用于我们自己的目的。

芝加哥大学6位化学家的一项2022年11月10日发表于《自然催化》（Nature Catalysis）杂志的研究表明，一种创新的人工光合作用系统比以前的人工系统生产力提高了一个数量级。常规的光合作用从二氧化碳（CO₂）和水(H₂O)中产生碳水化合物，而人工光合作用可以产生乙醇、甲烷或其它燃料。详见：Guangxu Lan, Yingjie Fan, Wenjie Shi, Eric You, Samuel S. Veroneau, Wenbin Lin. Biomimetic active sites on monolayered metal–organic frameworks for artificial photosynthesis. Nature Catalysis, Published: 10 November 2022. DOI: 10.1038/s41929-022-00865-5. https://doi.org/10.1038/s41929-022-00865-5

此项研究的共同第一作者、共同通讯作者厦门大学化学与化工学院（College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University, Xiamen, China）的史文颉（Wenjie Shi，wjshi@email.tjut.edu.cn）博士生，2019-2021年作为厦门大学与芝加哥大学的联合培养博士，在芝加哥大学化学系期间曾经参与了此项研究，她现就职于天津理工大学新能源材料与低碳技术研究院（Institute for New Energy Materials and Low Carbon Technologies, School of Materials Science and Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin, China）。

尽管要让它成为你每天为汽车加油的一种方式还有很长的路要走，但这种方法为科学家们提供了一个新的探索方向，并且在短期内可能会用于生产其它化学品。

芝加哥大学詹姆斯·弗兰克化学教授（James Franck Professor of Chemistry at the University of Chicago）、该研究的共同通讯作者林文斌说：“这是对现有系统的一个巨大改进，但同样重要的是，我们能够非常清楚地了解这种人工系统在分子水平上的工作原理，这在以前是前所未有的。”

我们需要别的东西（'We will need something else'）

林文斌说：“没有自然的光合作用，我们就不会在这里。它制造了我们在地球上呼吸的氧气，制造了我们吃的食物。但它的效率永远无法为我们的汽车提供足够的燃料，因此我们需要其它的燃料。”

问题是光合作用产生的碳水化合物对我们的燃料很有帮助，但对汽车却没有好处，汽车需要更多的浓缩能量。因此，研究人员希望开发化石燃料的替代品，他们必须重新设计生产过程，以生产出更高能量密度的燃料，例如乙醇或甲烷。

在自然界中，光合作用是通过几种非常复杂的蛋白质和色素组合来进行的。它们吸收水和二氧化碳，分解这些分子，重新排列原子，以形成碳水化合物——一长串的氢-氧-碳化合物。

然而，科学家们需要重新研究此反应过程，以产生一种不同的排列方式，只在有趣的碳核心周围存在氢气——形成CH₄分子（称其为甲烷）。这种重新设计比听起来要复杂得多，几十年来，人们一直在对它进行改造，试图接近自然的效率。

林文斌和他的实验室团队认为，他们可能会尝试添加到人工光合作用系统中至今还没有添加的物质：氨基酸。研究小组首先研究一种叫做金属有机骨架（metal-organic framework简称MOF）的材料，这是一种由金属离子通过有机连接分子连接在一起的化合物。然后，他们将MOF设计成单层，以便为化学反应提供最大的表面积，再将所有材料都浸没在含有钴化合物的溶液中，以传递电子。最后，他们向MOFs中添加氨基酸，并通过实验找出何种氨基酸效果最好。

他们对反应的两个部分都进行了改进：一个是分解水分的过程，另一个是向二氧化碳中添加电子和质子的过程。在这两种情况下，氨基酸都有助于反应更有效地进行。

然而，即使人工光合作用的性能有了显著的提高，要想产生足够的燃料供广泛使用，还有很长的路要走。林文斌说：“在我们目前的情况下，需要将甲烷规模扩大许多数量级，才能产生足够的甲烷供我们消费。”

这一突破也可以广泛应用于其它化学反应;你需要制造大量的燃料才能产生影响，但少量的一些分子，比如制造药物和尼龙的起始材料，可能会非常有用。

林文斌说：“这些基本过程中有很多是相同的。如果你开发出好的化学药品，它们可以被应用到许多系统中去。”

本研究得到了芝加哥大学和美国国家科学基金会(National Science Foundation, under grants NSF/CHE-1346572; CHE-2102554)、美国能源部（US DOE under contract DE-AC02-06CH11357）以及中国留学基金委（China Scholarship Council）的资助或支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Enzymes have evolved to catalyse challenging chemical transformations with high efficiency and selectivity. Although a number of artificial systems have been developed to recapitulate the catalytic activity of natural enzymes, they are mostly limited to catalysing relatively simple reactions owing to their ability to mimic only the active metal centres of natural enzymes, without incorporating the proximal amino acids or cofactors. Here we report a metal–organic framework-based artificial enzyme (metal–organic–zyme, MOZ) by integrating active metal centres, proximal amino acids and other cofactors into a tunable metal–organic framework monolayer. We design two libraries of MOZs to perform photocatalytic CO₂ reduction and water oxidation reactions. Through tuning the incorporated amino acids in the MOZs, we systematically optimize the activity and selectivity of these libraries. Combining these optimized MOZs into a single system realizes complete artificial photosynthesis in the reaction of (1+n)CO₂+2H₂O → CH₄+nCO+(2+n/2)O₂.