随着世界对清洁和可持续能源的需求日益增长，科学家们正在转向光合作用的力量来寻找灵感。为了开发新的环保技术来生产清洁燃烧的氢燃料，罗切斯特大学的一组研究人员正在着手一项开创性的项目，以模拟光合作用的自然过程，利用细菌将电子传递给纳米晶体半导体光催化剂.

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在PNAS期刊上发表的一篇论文中，罗切斯特大学化学教授 Kara Bren和化学教授Todd Krauss证明Shewanella oneidensis 细菌 提供了一种有效免费但高效的方式来提供电子到他们的人工光合作用系统。通过利用这些微生物和纳米材料的独特特性，该系统有可能取代目前从化石燃料中提取氢气的方法，彻底改变氢燃料的生产方式并释放强大的可再生能源。

“目前，氢气绝对是能源部非常感兴趣的一种燃料，”布伦说。“如果我们能找到一种有效地从水中提取氢的方法，这可能会导致清洁能源的惊人增长。”

“理想的燃料”

氢气是“一种理想的燃料”，布伦说，“因为它对环境无害，而且是化石燃料的无碳替代品。”

氢是宇宙中最丰富的元素，可以从多种来源产生，包括水、天然气和生物质。与产生温室气体和其他污染物的化石燃料不同，当氢气燃烧时，唯一的副产品是水蒸气。氢燃料还具有高能量密度，这意味着它每单位重量包含大量能量。它可用于包括燃料电池在内的各种应用，并且可以小规模和大规模制造，使其适用于从家庭使用到工业制造的所有领域。

使用氢气的挑战

尽管氢储量丰富，但地球上几乎没有纯氢。在碳氢化合物和水等化合物中，它几乎总是与碳或氧等其他元素结合。要使用氢作为燃料来源，必须从这些化合物中提取。

历史上，科学家们从化石燃料中或最近从水中提取氢气。为了实现后者，大力推动采用人工光合作用。

在自然光合作用过程中，植物吸收阳光，利用阳光为化学反应提供动力，将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。本质上，光能被转化为化学能，为有机体提供燃料。

同样，人工光合作用是将丰富的原料和阳光转化为化学燃料的过程。模拟光合作用的系统需要三个组件：光吸收器、制造燃料的催化剂和电子源。这些系统通常浸没在水中，光源为光吸收器提供能量。能量允许催化剂将提供的电子与来自周围水的质子结合以产生氢气。

然而，目前的大多数系统在生产过程中都依赖化石燃料，或者没有有效的电子传输方式。

“现在氢燃料的生产方式有效地使其成为化石燃料，”布伦说。“我们希望通过光驱动反应从水中获取氢气，这样我们就有了一种真正清洁的燃料——而且这样做的方式是我们在这个过程中不使用化石燃料。”

罗切斯特独特的系统

Krauss 的小组和 Bren 的小组已经工作了大约十年，以开发一种高效的系统，该系统采用人工光合作用并将半导体纳米晶体用于光吸收剂和催化剂。

研究人员面临的一个挑战是找出电子源并有效地将电子从电子供体转移到纳米晶体。其他系统使用抗坏血酸(通常称为维生素 C)将电子传送回系统。虽然维生素 C 看起来很便宜，但“你需要一种几乎免费的电子源，否则系统就会变得太昂贵，”Krauss 说。

在他们的论文中，Krauss 和 Bren 报告了一种不太可能的电子供体：细菌。他们发现Shewanella oneidensis是最早从纽约州北部的奥奈达湖采集的细菌，它提供了一种有效免费但高效的方式来为他们的系统提供电子。

虽然其他实验室已经将纳米结构和细菌结合起来，但“所有这些努力都是从纳米晶体中获取电子并将它们放入细菌中，然后使用细菌机器来制备燃料，”布伦说。“据我们所知，我们的案例是第一个反其道而行之，将细菌用作纳米晶体催化剂的电子源。”

当细菌在厌氧条件下(没有氧气的条件下)生长时，它们会呼吸细胞物质作为燃料，并在此过程中释放电子。Shewanella oneidensis可以吸收其自身内部代谢产生的电子，并将其提供给外部催化剂。验进化

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