杨培东Science：人工光合作用新突破！

由于化石能源的紧缺和环境污染问题，生物乙醇，生物柴油等生物质能源越来越多地受到人们的青睐。然而之前的生物质能研究至少存在以下2个问题：

1）基于有机物发酵工艺，会产生大量CO₂温室气体；

2）基于光合作用细菌，需要消耗大量不易存储的H₂来供应电子；

3）产物选择性不高，后期分离不易。

 

有鉴于此，杨培东教授课题组发明了一种基于CdS-细菌复合体系的半人工光合作用，直接将太阳能和CO₂转化为高纯度乙酸盐。

图1. CdS-细菌光合作用原理示意图

 

研究人员将Cd²⁺前驱体和半胱氨酸加入到不具备光合作用的乙酸生产菌（Moorella thermoacetica）生长液中，细菌表面会沉淀生长CdS半导体纳米颗粒，得到一种生物-无机的复合体系。

在太阳光照射下，CdS纳米颗粒首先高效捕获光能并将电子传递给细菌；然后，细菌高选择性（>90%）地催化CO₂转化成醋酸盐。在黑暗条件下，醋酸盐又可以作为养分供给这种细菌。在模拟白天-黑夜的亮-暗条件下循环数天仍然具有较好的光合作用效果！

   

图2. 细菌-CdS反应体系示意图

总之，生物体系的催化剂可以确保光合作用的高选择性、低成本、自修复的优点；人工半导体材料又可以确保高效捕获光能。这种人工-生物复合体系为人工光合作用带来了新的曙光，并为生物体系等诸多领域的研究提供了借鉴！

   

图3. 细菌-CdS复合物电镜表征

图4. 细菌-CdS复合物光合作用性能

 

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1．Kelsey K. Sakimoto, Peidong Yang et al. Self-photosensitization of nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production. Science, 2016, 351, 74-77.

2. Volker Müller. Microbes in a knight's armor. Science, 2016, 351, 34.