新理论和新材料有助于向清洁能源过渡

随着时间一天天过去，我们对化石燃料上瘾的阴暗面变得越来越明显。除了削减二氧化碳排放量之外，社会还必须找到可持续的替代方案来为现代世界提供动力。

在一项新研究中，Gary Moore 和他的研究小组探索了催化的不同方法，催化是一种在生物反应以及许多工业应用中起着重要作用的化学过程。

催化剂是加速化学反应速率的物质，在反应过程中不被消耗。酶催化剂在自然界中非常重要，没有它们就不可能有生命，因为活细胞内的条件不利于许多重要的化学过程。在酶催化剂的帮助下，原本需要数小时甚至数天才能发生的化学反应可以在一秒钟内展开。

化学催化剂已用于各种人类应用，从药物开发到可生物降解的塑料和环境安全的肥料。他们还可以推进绿色能源解决方案的发展，以应对气候危机，这是摩尔团队积极追求的领域。

Moore 是应用结构发现生物设计中心 (CASD) 的研究员，也是 ASU 分子科学学院 (SMS) 的副教授。SMS 研究生、新研究的主要作者 Daiki Nishiori 以及前SMS研究生、现受雇于英特尔公司的Brian Wadsworth 也加入了他的行列。

研究结果发表在最新一期的Chem Catalysis杂志上。

近距离接触催化剂

这项新研究借鉴了摩尔和他的亚利桑那州立大学同事以及该领域其他研究人员对催化剂行为的调查。当前的观点文章描述了三种催化形式——酶催化、电催化和光电合成——概述了迄今为止的进展，并强调了寻求全面了解这些重要现象的科学家所面临的一些剩余挑战。

虽然通过对生物体中酶催化的研究已经学到了很多东西，但研究人员希望开发出可以改进自然设计的合成替代品。“模拟用于催化的生物酶具有挑战性，”Nishiori 说。“生物酶具有复杂的三维蛋白质结构”，并且在与大多数人工设计的催化剂完全不同的条件下运行。

相反，研究人员希望生产一系列新的合成催化剂，以高效驱动化学反应。成功的结果可以大大提高许多造福社会的产品的工业生产。其中包括新型碳中性或无碳燃料。

“我们在本文中涵盖了相当多的材料空间，包括酶的传统化学催化，以及生物和/或合成复合物介导的电催化过程，”摩尔说。然后，该研究继续描述捕获辐射光能并用它来驱动电荷转移反应的混合系统。自然界中明显的相似之处是植物进行的光合作用过程。

但是人工光合作用技术不能简单地复制大自然的蓝图。除了对控制其性能的结构-功能关系的了解有限之外，光合植物仅能以化学键的形式转化和储存其叶子收集的入射阳光的 1%。这些债券最终构成了我们吃的食物，在更长的地质时间尺度上，我们现代社会所依赖的碳基化石燃料。这是健康植物发育和繁殖所需的全部内容，但不足以供人类应用。

启发性研究

设计新的光电合成装置涉及使用类似于当前光伏电池的聚光技术，并将其与催化材料的薄层耦合。在该方案中，电荷载流子从半导体表面转移到催化位点。一旦催化剂积累了足够的电荷载流子，它就会进入所谓的活化状态，允许催化继续进行。该方法可用于从水中生产氢气或生产还原形式的 CO 2 ，包括甲烷、一氧化碳、液体燃料和其他工业上有用的产品。

“就更传统的太阳能电池而言，您的最终目标是将阳光转化为电能。我们正在开发的系统使用太阳能来为能量上坡的化学转化提供动力，”摩尔说。撞击的阳光不会产生电力，而是会导致催化化学反应，最终产生燃料。

“在这里，我们所描述的燃料与化石碳源无关。我们可以开发不含碳的化学物质，包括将水转化为可以用作燃料的氢气，或者我们可以使用大气中的CO 2产生含碳燃料，”摩尔说。“在后一个例子中，虽然由此产生的燃料是基于碳的，但没有新的 CO 2来源释放到大气中。” 该过程是碳循环的一种形式。

摩尔指的是诸如光电合成之类的技术。虽然它们在生产清洁能源和更清洁地生产有用的工业产品方面具有重大前景，但从理论和实践层面理解化学是具有挑战性的。用于启动催化的光子和电荷载流子是量子实体，具有特别微妙的特性，研究人员仍在努力准确建模。

生产有效的技术来应对未来的能源挑战需要对光收集动力学以及催化过程和电荷运动有更透彻的数学理解。目前的研究提供了朝这个方向迈出的试探性步骤。

除了这些进步之外，材料科学的研究人员还需要设计能够更好地利用这些工艺的材料，由耐用且价格合理的材料制成。

穿越能量迷宫的新途径

除了需要解决的纯科学障碍外，摩尔还指出，如果绿色能源技术要取得成功，公共政策的变化将是关键驱动因素。“与现有技术竞争是一项艰巨的任务，现有技术只需要在地下钻一个洞来提取已经存在的能源，”摩尔说。受过科学教育的公众能够做出影响社会如何投资未来基础设施的知情投票选择也至关重要。“我们是要选择投资于最大限度地减少气候变化影响的技术，还是继续利用具有一百多年历史的组件和流程的能源基础设施?”

摩尔希望酶促、电催化和光电合成技术的进步将在更可持续、破坏性更小的能源未来中发挥重要作用。

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