华裔化学家杨培东的理想燃料：模拟光合作用的树叶

这位著名华裔纳米材料化学家发现了模拟树叶，即将水和二氧化碳变成我们所需之物的方法。

杨培东

星期天的加州大学伯克利分校校园中，桉树上发出微微的沙沙声，一片祥和，而每片桉树叶中却正进行着激烈的化学活动。树叶通过光合作用，利用阳光能量将水和二氧化碳变成植物必需的物质，整个过程仅释放出氧气。

在附近的一个实验室中，华裔化学家杨培东正在将纳米线阵列与工程菌结合以建立出一个具有相同功能的人工系统。

如果类似的物体被放大，也许能产生比我们现今所用燃料更环保的燃料——不会增加空气中的二氧化碳含量。

我们很难在实验室中模拟光合作用。20世纪70年代，东京大学的研究人员第一次发现，太阳能装置能实现植物光合作用程序的第一步：将水中的氢气和氧气分解出来。

经过初期的活跃之后，这个领域就停滞不前了。但随着人们越来越关注能源问题和气候变化以及新技术的诞生，一些实验室又重新开始这一领域的研究。

这种充满化工前驱体和水的反应器被放置在炉子上加热，培养二氧化钛纳米线

气态前驱体流过该反应器后生产硅纳米线

硅纳米线也可以在更大的表面上生成，例如这种晶片。它能分裂成碎片，作为装置内的电极

这种孵化器内的细菌会被种在一个电极上，作为活性催化剂

杨培东的实验室进一步改进了美国国家可再生能源实验室在20世纪70年代完成的基本设计。

该设计含有两个覆盖催化剂（杨使用廉价的镍）的光敏电极，将水分离成氧气和氢气。

在原来的结构设置中，电极是平整的，但杨采用由硅及其它半导体构成的纳米线阵列。由于纳米线的表面积是平整电极的100倍，因此能托住更多的催化剂，极大地提高了反应的效率。

然而，水解离是光合作用中较简单的部分。植物可在反应过程中进一步利用水中分解出的的氢气将空气中的碳转化成复杂分子。杨也想实现这一过程。

但毕竟飞机和车辆并不是靠着氢气才能运行，它们需要汽油和其它复杂的化学染料。

在这一装置内部，水和二氧化碳转化成染料的反应需要光提供动力。管道系统可分离出反应的副产物——纯氧

系统中的某些细菌会产生沼气，可直接用作染料；其它细菌会产生醋酸盐，醋酸盐可作为基因工程菌的饲料，令其产生燃料和塑料。这里的工程大肠杆菌以醋酸盐为食

包括质谱仪在内的各种分析工具被用于验证细菌是否能产生理想的化学物质。截至目前，该系统和自然光合作用的效率不相上下

为了催化该过程，杨借助了70年代左右还未发明的技术。他和其同事发现，基因工程菌会停留在纳米线中间，作为“活性催化剂”。

他们取走从水中分解出的氢气并将其与二氧化碳结合，产生沼气和其它燃料或塑料所需的碳氢化合物。

科学家目前仍无法通过合成催化剂消除利用天然酶进行一系列反应所产生的缺陷。

杨所建系统的效率与天然光合作用效率不相上下，可将从阳光中获得的1%能量以化学键的形式储存起来。

这对概念验证演示来说不是坏事，相反会提高效率，从而实现成本效益。

杨希望，最终能转变成合成催化剂，而不是难以保持活性的细菌。并一定要完全消除这些缺陷，因为我们迫切需要清洁能源。“如果需要采取混合工艺，也未尝不可。”他说。

下面视频中介绍了一种名为“合成树叶”的硅纳米管材料，能够模拟自然界中植物的光合作用，在阳光的照射下将水和二氧化碳转变为有用的化学物质。

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