研究人員已經開發出一種高效的概念，將二氧化碳轉化為清潔、可持續的燃料，沒有任何不需要的副產品或廢物。來自劍橋大學的研究人員此前已經表明，生物催化劑或酶可以利用可再生能源清潔地生產燃料，但效率很低。
他們的最新研究在實驗室環境下將燃料生產效率提高了18倍，證明了污染性的碳排放可以有效地轉化為綠色燃料而不浪費任何能源。這些成果在《自然-化學》和《美國國家科學院院刊》（PNAS）的兩篇相關論文中進行了報道。
大多數將二氧化碳轉化為燃料的方法也會產生不必要的副產品，如氫氣。科學家們可以改變化學條件，以盡量減少氫氣的產生，但這也降低了二氧化碳轉化的性能：因此可以生產更清潔的燃料，但要以效率為代價。
劍橋大學開發的概念驗證依賴於從細菌中分離出來的酶，為將二氧化碳轉化為燃料的化學反應提供動力。酶比其他催化劑更有效，但它們對其當地的化學環境高度敏感。如果當地的環境不完全正確，酶就會崩潰，化學反應就會很慢。
劍橋大學的研究人員與葡萄牙新里斯本大學的一個團隊合作，已經開發出一種方法，通過微調溶液條件來改變酶的局部環境，從而提高電解的效率。
PNAS論文的第一作者、劍橋大學優素福-哈米德化學系的Esther Edwardes Moore博士說：“酶經過數百萬年的進化，已經具有極高的效率和選擇性，而且它們對於燃料生產非常有利，因為沒有任何不需要的副產品。然而，酶的敏感性帶來了一系列不同的挑戰。我們的方法考慮到了這種敏感性，因此局部環境被調整為符合酶的理想工作條件。”
研究人員使用計算方法來設計一個系統，以改善二氧化碳的電解。使用基於酶的系統，與目前的基準解決方案相比，燃料生產水平提高了18倍。
為了進一步改善當地的環境，該團隊展示了兩種酶如何一起工作，一種生產燃料，另一種控制環境。他們發現，通過添加另一種酶，加快了反應的速度，既提高了效率，又減少了不需要的副產品。
《自然-化學》論文的第一作者Sam Cobb博士說：“我們最終得到了我們想要的燃料，沒有副產品，只有邊際的能量損失，以最大的效率生產清潔燃料。通過從生物學中獲取靈感，它將幫助我們開發更好的合成催化劑系統，如果我們要大規模部署二氧化碳電解，這正是我們需要的。”
領導這項研究的Erwin Reisner教授說：“電解在減少碳排放方面可以發揮很大作用。我們已經展示了一個新的概念，而不是捕捉和儲存二氧化碳，這是令人難以置信的能源密集型，以節能的方式捕捉碳並從它那裡製造出有用的東西。”
研究人員表示，更有效的二氧化碳電解的秘密在於催化劑。近年來，合成催化劑的開發有了很大的改進，但它們與這項工作中使用的酶相比仍有差距。
“一旦你設法做出更好的催化劑，二氧化碳電解的許多問題就會消失，”Cobb說。“我們正在向科學界展示，一旦我們能夠生產出未來的催化劑，我們將能夠摒棄目前的許多妥協，因為我們從酶中學到的東西可以轉移到合成催化劑上。”
“一旦我們設計了這個概念，性能的提高是驚人的，” Edwardes Moore說。“我曾擔心我們會花數年時間試圖了解在分子水平上發生了什麼，但是一旦我們真正理解了局部環境的影響，它的發展真的很快。”
Cobb說：“在未來，我們希望利用我們所學到的知識來解決一些目前最先進的催化劑難以解決的挑戰性問題，例如直接使用空氣中的二氧化碳，因為在這些條件下，酶作為理想的催化劑的特性可以真正發揮出來。”