《Science》：二氧化碳变为液体燃料新技术

图片来源：《Science》

美国加州大学洛杉矶分校萨缪里工程与应用科学学院的研究人员，首次展示了利用电力将二氧化碳转化为液体燃料异丁醇的方法。相关研究报告发表在《Science》（《科学》）杂志上。

该学院化学及分子生物工程系的廖俊智教授及其同事提出了一种将电能储存为高级醇形式的化学能的方式，可作为液体运输燃料使用。廖俊智说：“目前一般使用锂离子电池来储存电力，存储密度很低，但当以液态形式存储燃料时，存储密度能显著提升，并且新方法还具备利用电力作为运输燃料的潜力，而无需改变现有的基础设施。”

研究小组对一种名为“富养罗尔斯通氏菌H16”的微生物进行了基因改造，使用二氧化碳作为单一碳来源，电力作为唯一的能量输入，在电子生物反应器中生产出异丁醇和异戊醇(3-甲基-1-丁醇)。

光合作用是指植物等在可见光的照射下，经过光反应和暗反应（又称碳反应）两个阶段，利用光合色素，将光能转化为化学能，将二氧化碳（或硫化氢）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过程。在此次研究中，科学家将光反应和碳反应分离开来，不利用生物的光合作用，而改用太阳能电池板将阳光转化为电能，随后形成化工中间体，以其促进二氧化碳的固定，最终生成燃料。廖俊智解释说，这一方式将比普通的生物系统更为有效。后者需要基于大量农耕土地种植植物，新方式则由于不需要光反应和碳反应同时发生，所以可将太阳能电池板置于沙漠中或屋顶上。

理论上，太阳能发电所产生的氢可促使转基因微生物中的二氧化碳转化，以形成高能量密度的液体燃料。但溶解性低、质量迁移率低，以及和氢相关的安全隐患都制约了这一过程的效率和可扩展性，因此，研究小组采用甲酸替代氢作为中间体和高效的能源载体。科研人员表示，他们首先借助电力产生甲酸，再利用甲酸促进二氧化碳在细菌中的固定，在黑暗中生成异丁醇和高级醇。

廖俊智表示，电气化学中甲酸盐的生成，生物学中二氧化碳的固定，以及高级醇的合成，都为电力驱动二氧化碳向多种化学物质的生物转化开启了可能。此外，甲酸盐转化为液体燃料也将在生物质炼制过程中发挥重要作用。

Li, H., P. H. Opgenorth, et al. (2012). "Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols." Science 335(6076): 1596.
One of the major challenges in using electrical energy is the efficiency in its storage. Current methods, such as chemical batteries, hydraulic pumping, and water splitting, suffer from low energy density or incompatibility with current transportation infrastructure. Here, we report a method to store electrical energy as chemical energy in higher alcohols, which can be used as liquid transportation fuels. We genetically engineered a lithoautotrophic microorganism, Ralstonia eutropha H16, to produce isobutanol and 3-methyl-1-butanol in an electro-bioreactor using CO2 as the sole carbon source and electricity as the sole energy input. The process integrates electrochemical formate production and biological CO2 fixation and higher alcohol synthesis, opening the possibility of electricity-driven bioconversion of CO2 to commercial chemicals.
 

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