在杂志上发表的一篇论文中PNAS，罗切斯特大学理查德·s·艾森伯格化学教授卡拉·布伦和化学教授托德·克劳斯证明了细菌Shewanella oneidensis为他们的人工光合作用系统提供一种有效的免费、高效的电子方式。通过利用这些微生物的独特特性以及纳米材料，该系统有可能取代目前从化石燃料中提取氢的方法，彻底改变氢燃料的生产方式，并解锁可再生能源的强大来源。

布伦说:“氢无疑是美国能源部目前非常感兴趣的一种燃料。”“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，“因为它对环境友好，是化石燃料的无碳替代品。”

氢是宇宙中最丰富的元素，可以从各种来源产生，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，氢燃烧时唯一的副产品是水蒸气。氢燃料也有很高的能量密度，这意味着它每单位重量含有很多能量。它可以用于各种各样的应用，包括燃料电池，并且可以在小规模和大规模上制造，这使得它从家庭使用到工业制造都是可行的。

使用氢的挑战

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在一起。要使用氢作为燃料，必须从这些化合物中提取氢。

历史上，科学家们要么从化石燃料中提取氢，要么从最近的水中提取氢。为了实现后者，需要大力推动人工光合作用的应用。

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。从本质上讲，光能被转化为化学能，为生物体提供燃料。

类似地，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成部分:光吸收器、制造燃料的催化剂和电子源。这些系统通常被淹没在水中，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周围水中的质子结合起来产生氢气。

然而，目前的大多数系统在生产过程中依赖于化石燃料，或者没有有效的方式来转移电子。

“现在生产氢燃料的方式有效地使它成为化石燃料，”布伦说。“我们希望通过光驱动反应从水中获得氢，这样我们就有了一种真正清洁的燃料——而且在这个过程中我们不使用化石燃料。”

罗切斯特独特的系统

克劳斯的团队和布伦的团队已经花了大约十年的时间来开发一种利用人工光合作用和利用半导体纳米晶体作为光吸收剂和催化剂的高效系统。

研究人员面临的一个挑战是找出电子的来源，并有效地将电子从电子供体转移到纳米晶体上。其他系统使用抗坏血酸，通常被称为维生素C，将电子传递回系统。虽然维生素C可能看起来不贵，但克劳斯说:“你需要一个几乎免费的电子源，否则系统就会变得太贵。”

在他们的论文中，克劳斯和布伦报告了一种不太可能的电子供体:细菌。他们发现Shewanella oneidensis在美国，细菌首先聚集在纽约州北部的奥内达湖，为它们的系统提供了一种有效的免费、高效的电子方式。

虽然其他实验室已经将纳米结构和细菌结合起来，但布伦说:“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，然后利用细菌机器制备燃料。”“据我们所知，我们的研究是第一个反其道而行，利用细菌作为纳米晶体催化剂的电子源的案例。”

当细菌在无氧条件下生长时，它们呼吸细胞物质作为燃料，在这个过程中释放电子。Shewanella oneidensis可以吸收由自身内部代谢产生的电子并将其提供给外部催化剂。

一种未来的燃料

布伦设想，在未来，每个家庭都有可能拥有大桶和地下储罐来利用太阳能生产和储存小批量的氢气，使人们能够用廉价、清洁燃烧的燃料为他们的家庭和汽车供电。布伦指出，目前火车、公共汽车和汽车都是由氢燃料电池驱动的，但几乎所有可供这些系统使用的氢都来自化石燃料。

“这项技术已经存在了，”她说，“但直到氢气通过光驱动反应从水中产生——而不使用化石燃料——它才真正对环境有帮助。”