糖网 其他 杨培东院士团队:在太空利用CO₂制糖!获美国宇航局156万奖金

杨培东院士团队:在太空利用CO₂制糖!获美国宇航局156万奖金

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本文源自:高分子科学前沿

因为对纳米光子学的贡献,包括研制出第一个纳米导线激光器,他43岁获得汤森路透集团发布的预测2014年诺贝尔奖的“引文桂冠奖”。虽最后遗憾与诺奖擦肩而过,但他在纳米材料领域的贡献仍足够深远。他是谁呢?国际顶尖的纳米材料学和纳米化学专家——杨培东!

杨培东教授,美国人文与科学院院士与国家科学院院士。已经在国际顶级期刊如Science, Nature, Joule, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Photonics, PNAS 等发表了300多篇高水平论文,应邀作大会/特邀报告超过300次,H因子高达194,总引用次数超过160000次,篇均被引用次数超过250次,培养了50多名博士生和65多名博士后;拥有专利35项,先后创建了三个公司: Nanosys Inc; Alphabet Energy Inc; Infinity Innovation Inc.。

据NASA官网消息,杨培东团队(SSwEET团队——Space-Sugar with Electrochemical Energy Technology)获NASACO2转化挑战赛最高奖,获得24.2万美金奖金,约合人民币156.16万奖金:要在太空,利用CO2制糖!

CO2转化为糖的设计方案

众所周知,太空探索已列入众多国家的科学和技术计划。然而,将货物运入太空的高昂成本是太空探索的主要障碍。值得注意的是,随着人类任务时间的增加,对消耗品的需求也在增加。此外,通往火星等遥远地点的脆弱补给线很容易被中断。因此,从完全依赖预先部署或再次供应的一次性消耗品存储的任务过渡到可持续生产和回收消耗品的任务至关重要。其中原位资源利用的方法为未来的探索者在目的地环境中使用现成的资源制备理想的产品描绘了蓝图。

在过去的八年时间里,杨培东团队一直在研究一种结合细菌和纳米线的混合系统,该系统可以捕获阳光的能量,将二氧化碳和水转化为有机分子,该系统的工作原理类似于光合作用。植物自然利用光合作用将二氧化碳和水转化为碳化合物,主要是糖和碳水化合物。然而,植物的效率相当低,通常将不到百分之二的太阳能转化为碳化合物。杨的系统可与最能将二氧化碳转化为糖的植物甘蔗(效率为4-5%)相媲美。

NASA挑战赛(非生物过程):利用CO2来制造糖

NASA的竞赛指定了一种非生物过程来制造糖,因为目标是将糖——理想情况下是葡萄糖,一种具有六个碳的糖——喂给微生物,以便太空探索者或行星定居者可以生物制造有机分子,如食物、生物塑料和药品。

受生命起源的关键化学反应(巴特勒夫反应:使用石灰将不同的化合物甲醛转化为各种类型的糖)的启发,SSwEET团队最终找到了解决方案。该反应一度被认为是通过缩合和加成单独的甲醛形成糖来进行的,但反应的第一步——甲醛转化为乙醇醛——以无法检测的速度发生,机制不确定。杨培东团队发现,加入一点乙醇醛会启动巴特勒夫反应,就像自动催化剂一样,产生糖。

图 1.电化学装置

由于甲醛和乙醇醛都是碳、氢和氧原子的短链,杨培东团队开始思考:“这些化学物质是否可以直接由二氧化碳制成,然后进入巴特勒夫反应生成糖?”在深空或火星应用中,一切都必须是电化学的,因为可以通过太阳能电池板为其供电(杨培东团队曾用硅纳米线收集太阳能)。杨培东团队证明了一种仅涉及电、铜纳米粒子作为催化剂和水中的二氧化碳的电化学过程,可以产生可用于巴特勒夫反应的乙醇醛。在太空中,电力将由太阳能提供。

图 3.卡尔文循环

目前,乙醇醛是其电化学过程的次要产物,但幸运的是,在巴特勒夫反应中只需要痕量。所需的主要成分是甲醛。一旦掌握了这些化学物质,巴特勒夫反应就可以非常有效地将所有碳原子转化为含糖碳。杨培东团队使用不同的催化剂,也可以从CO2电化学生成甲醛。在比赛中,该团队证明了使用甲醛的巴特勒夫反应(可能来自热化学CO2固定)和来自CO2电合成的乙醇醛,在大约四小时内生成糖类——从三碳糖到八碳糖。

该反应除了使用核磁与质谱等检测手段来确认多种不同碳水化合物的形成,实际上也可以直接通过颜色变化来监测最重要反应的完成情况,溶液从透明到黄色的转变是糖形成的特征。

图 6. 反应示意图

意义

杨培东团队受大自然启发的级联路径,利用他们在二氧化碳回收方面的专业知识为非生物糖的生产打开了一扇门,提出了一种实现可再生糖生产的方法。使用电力、二氧化碳和水的发现可用于规划深空探索。团队成员激动的说:“将二氧化碳直接转化为糖是一项非常艰巨的任务,以前从未被证明过,他们不仅要你证明你能做到,而且要在几个小时内,相对较短的时间内,我们过程的各个部分之前已经报道过,但没有人知道你可以把它们放在一起,从根本上想出一条从二氧化碳生产糖的有用途径。”

 

 

 

 

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