Глобальный вызов: устойчивое химическое производство
С ростом мирового спроса на энергию и обострением климатических проблем исследователи ищут новые пути для устойчивого химического производства.
Обзорная статья
В обзоре, опубликованном в Energy & Environment Nexus, международная группа под руководством доктора Ён Цзяна и коллег из Университета сельского и лесного хозяйства Фуцзянь, Датского технического университета и Университета Цинхуа выделяет «биогибридные» системы синтеза — инновационную технологию, объединяющую живые клетки с передовыми материалами — для обеспечения чистого производства химических веществ в интересах более экологичного будущего.
Что такое биогибриды?
Биогибриды представляют собой прорыв, сочетающий сильные стороны биологии и материаловедения. Эти системы используют такие источники энергии, как постоянный электрический ток, солнечный свет, испарение воды или механическое движение, для активации специально разработанных абиотических материалов.
При возбуждении эти материалы передают электроны микробным клеткам, катализируя производство ценных химических веществ из углекислого газа (CO₂), воды и других простых веществ.
Основные технологии
Одной из ключевых технологий является микробный электросинтез (МЭС), использующий биогибридные электроды для преобразования CO₂ в ценные продукты. МЭС работает в мягких условиях, обеспечивая селективность и стабильность при превращении отходов углерода в топливо и химические вещества.
Команда выделила новые тандемные реакции, опосредованные формиатом, где формиат действует как переносчик электронов и углерода, обеспечивая более быстрое биопревращение и открывая возможности для эффективного возобновляемого химического синтеза.
Перспективы
Исследователи также обсуждают полуискусственные фотосинтетические системы, которые превосходят естественный фотосинтез за счёт использования полупроводниковых материалов для более эффективного направления солнечной энергии. Эти гибридные системы открывают путь к масштабируемому производству таких химических веществ, как метан, ацетат и даже биопластики, непосредственно из солнечного света и уловленного углерода.
Обзор исследует новые горизонты в дизайне биогибридов, представляя материалы, которые собирают энергию из естественных водных циклов (гидровольтаические эффекты) и механического движения (пьезоэлектричество). Эти достижения могут сделать возможными автономные системы, работающие в различных средах, и предложить новые решения для очистки сточных вод, улавливания почвенного углерода и восстановления окружающей среды.
«Биогибридные технологии готовы изменить химический синтез, используя возобновляемые источники энергии и биологическую изобретательность для защиты окружающей среды», — сказал соавтор доктор Шунгей Чжоу.
«Реализация их потенциала потребует углубления нашего понимания взаимодействий между передовыми материалами и живыми клетками, а также изучения ещё более устойчивых источников энергии, таких как магнитные и тепловые входы».
Ключевые вызовы
Исследование определяет ключевые задачи: оптимизация передачи электронов и энергии на границе раздела материалов и микробов, а также разработка микробных систем для более широкого разнообразия продуктов.
Авторы надеются, что биогибриды, особенно использующие эффективные процессы, опосредованные формиатом, могут ускорить прогресс в направлении нулевого химического производства и устойчивого управления окружающей средой.
Предоставлено Шэньянским сельскохозяйственным университетом.