Science重磅:人工光合作用
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人工光合作用的原理和应用近年来,随着环境污染和气候变化的日益恶化,越来越多的科学家们开始关注如何通过科技手段来改善环境,其中一项备受关注的技术便是人工光合作用。
那么,什么是人工光合作用呢?它有哪些原理和应用呢?下面,我们一起来探讨一下。
一、什么是人工光合作用?自然界中的光合作用是指植物将光能转化为化学能的过程,它可以利用太阳能源,将二氧化碳和水转化为有机物质,同时释放出氧气,是地球上生命存在和持续发展的基础。
人工光合作用则是将仿造自然界的原理和机制,利用人工材料,实现类似自然光合作用的反应,将太阳能转化为其他形式的能量。
二、人工光合作用的原理人工光合作用的基本原理与自然界中的光合作用类似,也是通过捕获并利用光子能量的方式,将其转化为化学能。
但和自然界不同的是,人工光合作用并非由植物的叶绿素等生物分子完成,而是通过人工材料来代替自然材料,从而达到更高效的能量转化。
在人工光合作用过程中,最常用的材料是氧化钛纳米管,它的表面会吸附染料分子,这些染料分子能将光子能量吸收并转化为电子,然后氧化钛纳米管表面的电子便会移动到氧化还原电极上,同时将电子转移到染料分子中,使其重新得到电子。
三、人工光合作用的应用1、用于水分解制氢人工光合作用可以用来制备氢气。
在实验室中,科学家们通常会通过电极系统实现水分解,这会引起氢和氧气分离。
但这种方法通常需要使用电流来提供额外的能量。
随着人工光合作用技术的发展,研究人员已经能够通过光驱动的方式获得足够的能量,从而实现水分解制氢的过程。
2、用于化学能源储存在人工光合作用过程中,可以利用所产生的H2和吸收的光能,将化学能储存下来。
因为H2是一种高效的氢化物,它与CO2等化合物结合起来,也能形成有用的化学产物,可以再次转化为其他形式的能量。
3、用于改善环境随着气候变化和能源消耗的加剧,人们越来越关注如何有效减缓和逆转这种趋势。
人工光合作用便是其中一项有潜力的技术,它能够利用二氧化碳和太阳能实现有机物的合成,从而减少有害气体的排放,达到降低碳排放量、改善环境的效果。
人工光合作用的优点在当今社会,能源危机和环境问题日益凸显,因此寻找一种清洁、高效的能源来源变得尤为重要。
一种备受关注的可持续能源技术是人工光合作用。
人工光合作用是一种仿照自然光合作用的技术,通过模拟植物光合作用中的光能转化过程,将太阳能转化为化学能,从而产生清洁能源。
人工光合作用具有许多优点,下面就来探讨一些主要的优点:1. 清洁能源来源人工光合作用利用太阳能作为能量输入,不产生二氧化碳和其他温室气体。
与传统化石燃料相比,人工光合作用不会造成环境污染和全球变暖,是一种真正的清洁能源来源。
2. 高效能源转化人工光合作用在太阳能转化效率方面具有巨大优势。
通过制备高效的光催化剂和反应体系,人工光合作用可以将光能转化为化学能的效率大幅提高,比许多传统能源转化方法更为高效。
3. 可再生能源太阳是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。
人工光合作用利用太阳能进行能源转化,因此具有持续稳定的能源供应特点。
不像传统化石燃料有限,而是能够源源不断地提供能量。
4. 适用广泛人工光合作用技术可以在各种环境中使用,无论是城市、乡村还是偏远地区,只要有太阳能的照射,就可以进行光能转化,因此具有广泛的适用性。
5. 促进科技创新发展人工光合作用技术需要跨学科合作,涉及化学、物理、材料科学等多个领域,这种跨学科合作有助于促进科技创新,推动技术发展。
结语人工光合作用作为一种新兴的能源转化技术,具有诸多优点,包括清洁、高效、可再生、适用广泛和促进科技创新等方面。
随着对可持续能源需求的增加,人工光合作用有望成为未来能源领域的重要发展方向,为解决能源危机和环境问题提供新的解决途径。
科技与创新┃Science and Technology &Innovation2017年第18期·70·文章编号:2095-6835(2017)18-0070-02人工光合作用研究进展*梁旭华1,杜亦博2,李文浩1(1.商洛学院生物医药与食品工程学院,陕西商洛726000;2.陕西省商洛中学,陕西商洛726000)摘要:随着社会经济的发展和人类的不断进步,能源需求量日趋增加,地球储存的能源已日趋枯竭,同时,大量化石能源的使用也带来了严重的环境问题。
世界各国在解决能源危机问题上不断探索,其中,人工光合作用以其高效转换太阳能、清洁无污染、产生稳定的生物能源等诸多优势引起世界各国的高度重视。
从自然光合作用的角度出发,综述了国内外人工光合作用的最新研究进展,并分析了当前研究中存在的问题,评述了人工光合作用的发展趋势和应用前景。
关键词:太阳能;人工光合作用;叶绿体;人工光催化中图分类号:Q945.11文献标识码:ADOI :10.15913/ki.kjycx.2017.18.070当今社会面临着日益严重的能源危机,随着社会的发展和能源的不断消耗,地球储存的能源已日趋枯竭,而大量使用化石能源也带来了严重的环境与气候问题。
发展可再生的新型清洁能源是增加能源供给、保护生态环境、促进可持续发展的重要措施,也是解决问题最根本的途径,具有重要的战略意义。
在众多的可再生能源中,太阳能是最重要的基本能源,人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳能。
太阳能的利用将会为目前能源短缺和非再生能源消耗所引发的环境问题提供一个绝佳的解决途径。
光合作用是自然界中固定太阳能最有效的过程,模拟光合作用将成为利用太阳能生产清洁能源的一个重要方向。
早在20世纪80年代就有研究者提出了人工光合作用的概念[1],它是模拟自然界的光合作用过程,利用光能分解水制造氢气,或固定CO 2制造有机物。
与自然界光合作用相比,人工光合作用具有以下特点才能大规模用于工业生产,即相当或更高的光催化效率、低成本、长寿命、系统相对稳定、低维护需求、不受时间和空间的约束[2]。
人工光合作用能源转换人工光合作用是一种模拟自然光合作用的技术,通过人工手段利用光能将二氧化碳和水转化为有用的化学能,从而产生能源。
这种技术被广泛应用于太阳能电池、人工光合作用反应器等领域,为解决能源危机和环境问题提供了新的思路和解决方案。
本文将从人工光合作用的原理、应用和未来发展等方面进行探讨。
一、人工光合作用的原理人工光合作用是一种利用光能将二氧化碳和水转化为有机物的过程,其原理类似于自然光合作用。
在自然光合作用中,植物通过叶绿素等色素吸收太阳光能,将二氧化碳和水转化为葡萄糖等有机物,并释放氧气。
而在人工光合作用中,科学家们设计了各种人工光合作用系统,利用光敏染料、半导体材料等吸收光能,催化二氧化碳还原反应,实现能源转换的过程。
二、人工光合作用的应用1. 太阳能电池人工光合作用技术被广泛应用于太阳能电池领域。
通过将光敏染料、半导体材料等组装成光电极,利用光能将光合成反应和电化学反应结合起来,实现太阳能的转换和储存。
太阳能电池具有高效、清洁、可再生等优点,是未来替代化石能源的重要途径之一。
2. 人工光合作用反应器人工光合作用反应器是一种模拟自然光合作用的装置,通过控制光照、温度、压力等条件,实现二氧化碳和水的转化。
人工光合作用反应器可以用于生产生物燃料、化学品等产品,为解决能源和环境问题提供了新的途径。
三、人工光合作用的未来发展随着能源危机和环境污染问题日益严重,人工光合作用技术具有巨大的发展潜力。
未来,人工光合作用技术有望在以下几个方面取得突破和进展:1. 提高光能利用效率目前人工光合作用技术的光能利用效率还比较低,如何提高光合成反应的效率成为当前研究的重点之一。
科学家们正在探索新的光敏染料、催化剂等材料,设计更高效的人工光合作用系统。
2. 拓展应用领域除了太阳能电池和人工光合作用反应器,人工光合作用技术还有很多潜在的应用领域,如海水淡化、空气净化、生物医药等。
未来,人工光合作用技术有望在更多领域发挥作用,为人类社会的可持续发展做出贡献。
人工光合作用的研究与应用随着科技的发展,由人工合成的新型生命体、人工智能等等现象的出现,使得人类与科技之间的联系越来越紧密。
在这其中,人工光合作用的研究与应用,引起了科研界的广泛关注。
本文将对人工光合作用进行一定的介绍,包括其意义、研究进展及应用前景。
1.意义光合作用是生命物质的产生和维持生态系统稳定的基础。
通过光合作用一级消费者、二级消费者和三级消费者等等建立了物种之间的关系。
然而,自然的光合作用受到了很多限制:比如,不同气候、温度和光强度会导致不同的光合作用效率,地球上某些地区还存在光合作用农业和林业的生产难点。
为维持生态系统的持续发展,我们必须探索光合作用的一些新的途径,满足人类对生活物质的不断需求。
而这就与人工光合作用的研究和应用有关。
2.研究进展研究人工光合作用已经有了一些重大的进展。
在亚麻酸钾的光合作用中,能量从阳光中转换到碳分子中,形成了稳定的三碳糖,这就是生命的基础产物。
在人工光合作用的研究中,生物、半导体和高分子材料的结合被视为一种解决方案,在这种情况下,复杂的化学反应可以在薄膜上进行,从而形成有机分子。
这是人工光合作用研究的一项重要成果。
3.应用前景人工光合作用的应用前景十分广阔。
光合作用是一种向阳性的活动,它可以让生产者看到一个稳定的未来。
通过人工光合作用,可以生产出更多地可再生能源、食物和化学品,这将有助于保障人类的生活质量,提升人类对于环境的保护意识。
也可以通过人工光合作用制造出更加环保的产品,如健康饮料、美容护肤品等等。
同样,通过人工光合作用也可以进行重大的医疗研究,比如治疗疾病、提高抗病能力等等。
总之,人工光合作用的研究和应用开启了人类在能源、医疗、食品等方面的新时代。
我们要在不断探索中不断取得更大的进展,为人类的发展贡献自己的一份力量。
人工光合成及其应用随着能源需求的增加和化石能源储量的日益减少,人们开始寻找一种可持续、高效的能源替代品。
其实植物一直是我们的好榜样。
植物利用太阳能通过光合作用将二氧化碳和水转化成有机物和氧气,同时也为我们提供了大部分的氧气和食物。
人工光合成就是在模仿植物的光合作用基础上,通过人工合成复杂的光合系统,将阳光转化为能源。
一、人工光合成的原理人工光合成系统由光敏剂、电子传输体系和催化剂三个部分构成。
光敏剂:在光敏剂吸收光的作用下,电荷被激发并转移至电子传输体系。
最常用的光敏剂是钻酸稀钾(KMnO4)、酸动脉钴(Co-hemin)、钙绿素(a)等。
电子传输体系:电子被输送到分子细胞膜内的光敏剂,通过电子传输体系到达催化剂。
电子传输体系中持续运转的蛋白质链通称为电子输运链。
催化剂:在催化剂的作用下,水和CO2可以被还原成有机物和O2产物。
常用的催化剂有硝酸钴(Co(NO3)2)、银纳米颗粒(AgNP)、钼酸铵(NH4MoO4)等。
二、人工光合成的应用1. 制氢燃料人工光合成中产生氢气是一个研究热点。
光合作用通过还原反应产生氧气和化学能,而人工光合成则可以通过将阳光转化成化学能产生水分解反应,从而制氢燃料。
这种制氢燃料技术是一种高效、清洁、可持续的替代能源,有望在未来更广泛地应用于车辆、机械等领域。
2. 人工荧光参光合作用研究人工荧光参光合作用研究可帮助我们理解自然界中真正的光合作用机理。
荧光参光合作用通过调节电子传输链,从而实现自然光合作用的功能。
在自然界中,叶绿素a和叶绿素b是光合作用中的两个主要色素,而在人工荧光参光合作用中,这些物质也受到了广泛的研究。
3. 环境污染治理人工光合成技术的研究,也在大气和水污染治理领域获得了广泛应用。
其中,人工光合成系统可以将二氧化碳,甲醛,氮氧化物等有害气体有效地转化为无害物质。
同时,在水污染方面,人工光合成可以利用太阳光来净化水体中的有机物和无机物,从而解决水污染问题。
人工光合作用技术原理
人工光合作用技术,是一种新兴的能源补给方式,可以利用太阳能来
生产氢气或其他有机化合物,以满足我们的能源需求。
其原理是基于
天然光合作用机理,即将水分解产生氢气或二氧化碳还原成有机化合物。
人工光合作用技术的核心在于制造光催化剂,催化剂的作用是能够捕
捉光子并将其转换成电子,进而通过还原剂还原一些分子。
这样一来,就可以模仿天然光合作用的过程,通过光能来促进反应,并且在后续
的步骤中,将产生的物质进行处理和提取。
目前,常用的光催化剂是钛酸银(TiO2)和氧化锌(ZnO)。
这些催化剂都是半导体材料,可以吸收太阳能,产生电子和空穴,进而引发一系列
反应,包括产生氢气和将二氧化碳还原成有机物质等等。
在人工光合作用技术的实际应用过程中,需要配备一些附属设备,例
如反应器、光源和观察系统等。
其中,反应器是最核心的部分,因为
它需要提供一个可以加热、冷却、搅拌以及流体传输的环境。
光源则
是产生光的部分,可以使用普通的白炽灯或LED等光源,以不同的波
长和强度来实现产生不同激发状态的电子和空穴。
观察系统则是为了
监测反应的过程,随时调整反应条件以及提取中间产物或最终产物等。
总体来说,人工光合作用技术是一项非常前沿的研究领域,它使用太阳能来代替传统的化石能源,具有广阔的应用前景。
未来,随着技术的不断进步,相信这项技术会在能源行业中占据重要的地位,并为人类提供更加清洁、高效、可持续的能源解决方案。
人造光合作用技术的实践与前景随着全球能源需求的不断增加以及能源结构的多样化,人类对于新能源的需求也变得越来越迫切。
而同时,随着环境保护意识的提高,绿色、低碳、环保的能源也成为了人们追求的目标。
在这种背景下,人造光合作用技术作为一种新兴的能源技术,正日渐成为人们关注的热点。
什么是人造光合作用技术?光合作用是指植物通过光能将二氧化碳和水转化成糖类、氧气等有机物的过程。
而人造光合作用技术,则是将这一过程模拟出来,通过人工生成能够进行光合作用的物质体来实现光合作用,从而获得可再生的清洁能源。
目前,传统的光合作用技术仅在自然界中存在,这使得它的发挥受到很大的限制。
而人工合成光合作用叶绿体、人造光合作用膜等技术的出现,则为实现大规模产出可再生清洁能源提供了可能。
人造光合作用技术的实践人造光合作用技术自20世纪70年代起就得到了启发并得到了实践,而从21世纪开始,这一技术得到了迅速发展。
一个典型的人造光合作用系统包括“光子收集器”、“电子传递器”和“催化剂”三个部分。
其中,“光子收集器”用于吸收太阳光;“电子传递器”用于将吸收到的能量转化成可用能,供给化学反应;“催化剂”则用于催化化学反应,将二氧化碳转化成有机物。
在这一系统中,吸收太阳光的光子收集器是关键。
目前,科学家们在实践中已经成功地使用人工叶绿体、二氧化钛薄膜等人造膜材料作为光子收集器,实现了模拟光合作用的反应。
除此之外,科学家们还在不断寻找更为有效的光子收集器和催化剂,并对整个系统进行不断优化,以期提高人造光合作用的效率。
人造光合作用技术的前景人类对于清洁能源的需求日益增长,而目前已有的各种清洁能源技术,如太阳能、风能等,仍存在效率不高、成本较高等问题。
人造光合作用技术则有望成为一种有效的清洁能源技术。
对于人造光合作用技术的前景,科学家们普遍持乐观态度。
他们认为,未来,人造光合作用技术有望逐步进入大规模产业化阶段,成为清洁能源市场上的主流产业。
同时,人造光合作用技术也为人类维持生态平衡,推动可持续发展提供了可能。
人工光合作用的模拟及其应用研究自然界中的光合作用是高效、可持续的生物能源转换过程,是地球上生命存在的基础之一。
然而光合作用的过程往往需要完整的细胞结构和多种酶、蛋白质等生物大分子的参与,使得其应用受限。
近年来,科学家们通过模仿自然界的光合作用过程,开展了人工光合作用的研究,并在能源生产、环境治理等领域得到了广泛的应用。
一、人工光合作用的简介人工光合作用是通过利用太阳光能以及人工合成的光敏剂等物质,模拟自然界中的光合作用过程,实现光能转化为化学能的过程。
一般来说,人工光合作用可以分为三个步骤:光能吸收、电荷分离、光生化学反应。
其中,光能吸收是指光敏剂吸收太阳光能,使得该分子激发到更高能级;电荷分离是指激发后的分子向电子受体传递电荷,产生电子和空穴,形成正负电荷分离的状态;光生化学反应则是指电子和空穴的再相遇,从而产生化学能的转化的过程。
在整个人工光合作用的过程中,光敏剂、电子受体以及酶等物质起到了至关重要的作用。
二、人工光合作用的应用研究1. 能源生产由于人工光合作用是一种新型的、可持续的能源转化方式,因此在能源生产中具有广泛的应用前景。
例如,科学家们开展了太阳能电池与人工光合作用的结合研究,在电池中加入光敏剂,增强电池的能量转换效率。
此外,人工光合作用也广泛应用于化学燃料的合成过程中,例如制取氢气。
利用人工光合作用可以将水中的光能转化为化学能,从而实现水分解制氢。
这种方法不仅可以提高氢气的产量,同时也具有低碳、环境友好的特点。
2. 环境治理人工光合作用在环境治理领域也有着重要的应用。
例如,科学家们利用光催化剂对环境中的有机物进行催化降解,从而净化水体和空气。
此外,在固体废弃物的处理过程中,利用人工光合作用可以有效地降解固体废弃物中的含氮化合物和有机物,减轻污染物的排放。
三、人工光合作用的发展和挑战尽管人工光合作用在能源生产和环境治理等领域具有广泛的应用前景,但是其发展还面临着很多挑战。
例如,光敏剂的结构设计和合成仍然是一个难题,光敏剂的效率和稳定性需要得到进一步的提高;此外,人工光合作用过程中需要考虑到反应条件和催化剂等因素的影响,使其应用更为广泛。
人工光合作用原理与应用
人工光合作用是指通过人工手段模拟植物光合作用的过程,利用光能将二氧化碳和水转化为有机物质和氧气的过程。
它的原理是利用光能提供电子来激发催化剂,然后通过光催化剂将光能转化为化学能,最终将二氧化碳和水转化为有机物质。
人工光合作用的应用主要有以下几个方面:
1. 燃料制备:人工光合作用可以利用太阳能转化二氧化碳和水为氢气和有机燃料,可以替代传统的化石燃料,减少温室气体排放,达到清洁能源的目的。
2. 水分解产氢:人工光合作用可以利用太阳能将水分解为氢气和氧气,产生的氢气可以用于燃料电池、氢能源储存等领域。
3. 环境净化:人工光合作用可以利用光催化技术将空气中的有害气体如二氧化硫、一氧化氮等转化为无害物质,达到净化环境的目的。
4. CO2减排:人工光合作用可以利用光催化技术将二氧化碳转化为有机物质,实现二氧化碳的减排。
5. 光合制氧:人工光合作用可以利用光催化剂将水分解产生氧气,可以应用于空间站、潜水装备等需要长时间供氧的场合。
人工光合作用在清洁能源、环境净化等领域具有广阔的应用前景,但仍面临着催化剂选择、光利用效率等技术难题,需要进一步的研究和发展。
The leading-order Coulomb contribution for the low-energy manifold of electronic states (6,25)is given by the two-electron permutation operator,P 12,which in the cases where only electronic spins are at play,reduces to the usual Heisenberg spin exchange,∼S 1S 2.For the case of a J -manifold,which in the absence of crystal fields is highly degenerate,it has the form of a permutation op-erator acting on a ð2J þ1ÞÂð2J þ1Þ-dimensional space of two neighboring Yb ions.The permuta-tion operator interchanges states j m J 1;m J 2i and j m J 2;m J 1i with equal weights,thus including the process j 7=2;−7=2i to j −7=2;7=2i where both moments simultaneously reverse,which cannot be achieved through conventional Heisenberg-Dirac spin exchange (Fig.1,D and E).The crys-tal field lifts the degeneracy of the Yb moments,and although the effective interaction that emerges after the projection on the manifold of the lowest Kramers doublets m J ¼T 7=2has the form of the antiferromagnetic S ¼1=2XXZ Hamiltonian,it retains the birthmark of its unusual origin in ex-change processes that are distinct from those having the conventional Heisenberg J 1J 2form.The effective spin-1/2physics emerges in Yb 2Pt 2Pb from the combination of high-energy (Coulomb,spin-orbit,hopping)interactions.The spin-orbit coupling virtually quenches the elec-tronic spin degree of freedom,forcing its align-ment with the large orbital moment,and in this way the effective spin-1/2XXZ model effectively describes the quantum dynamics of the elec-tronic orbital degree of freedom.This is directly evidenced in our experiments by the large,≈4m B magnetic moment carried by spinons.The or-bital exchange sets the scale for these emergent quantum dynamics,which we find by comparing the measured spinon dispersion with computed spectra (Fig.4).Because the orbital angular momentum dom-inates the total Yb moment,magnetic order in Yb 2Pt 2Pb is synonymous with orbital order,and the configuration depicted in Fig.1,D and E,is a natural way to understand how permutation of two neighboring electrons generates two spinons in the antiferromagnetic background.This is a process that entails charge-orbital separation,because the electron count per site is unchanged by correlated hopping,but the phases of the orbital wave function on both sites are reversed.Further-neighbor orbital exchange leads to states with four spinons (Fig.1E).Hence,long-range hopping,either by virtue of the in-chain itinerancy of the 4f electrons or via coupling to the con-duction electrons in metallic Yb 2Pt 2Pb,provides a natural mechanism for the spectral weight of the excitations that we observe above the two-spinon but within the four-spinon continuum boundaries.Our results provide a specific mechanism for charge-orbital separation in Yb 2Pt 2Pb,where the proliferation of spinons implies that electrons lose their orbital-phase identity.When united with the previous demonstrations of spin-charge and spin-orbital separation,this finding completes the triad of electron fractionalization phenomena in one dimension (26–28).REFERENCES AND NOTES1.W.Heisenberg,Z.Phys.49,619–636(1928).2.P.A.M.Dirac,Proc.R.Soc.London,A Contain.Pap.Math.Phys.Character 123,714–733(1929).3. 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NSF-DMR-131008.L.S.W.was also supported by the Laboratory Directed Research and Development Program of Oak Ridge National Laboratory (ORNL).This research at ORNL ’s Spallation Neutron Source was sponsored by the Scientific User Facilities Division,Office of Basic Energy Sciences,U.S.DOE.Work at NIST Center for Neutron Research (NCNR)is supported in part by the NSF under Agreement no.DMR-1508249.J.-S.C.and M.B.acknowledgesupport from the Netherlands Organization for Scientific Research (NWO)and the Foundation for Fundamental Research on Matter (FOM)of the Netherlands.SUPPLEMENTARY MATERIALS/content/352/6290/1206/suppl/DC1Materials and Methods Supplementary Text Figs.S1to S10Tables S1to S3References (31–53)17December 2015;accepted 29April 2016Sabundant energy sources for a sustainable society (1,2).Photosynthetic organisms harness solar radiation to build energy-rich organic molecules from water and CO 2.ural systems limit the overall efficiency of photo-synthesis (3).Most plants do not exceed 1%,and microalgae grown in bioreactors do not exceed 3%;however,efficiencies of 4%for plants and 5to 7%for microalgae in bubble bioreactors may be achieved in the rapid (short-term)growth phase (3).Artificial photosynthetic solar-to-fuels cycles may occur at higher intrinsic efficiencies (4–7),but they typically terminate at hydrogen (8),with no process installed to complete the cycle via carbon fixation.This limitation may be overcome by interfacing H 2-oxidizing autotrophic12103JUNE 2016•VOL 352ISSUE 6290 SCIENCE1Department of Chemistry and Chemical Biology,Harvard University,Cambridge,MA 02138,USA.2Division ofChemistry and Biological Chemistry,School of Physical and Mathematical Sciences,Nanyang Technological University,637371Singapore.3Department of Systems Biology,Harvard Medical School,Boston,MA 02115,USA.*These authors contributed equally to this work.†Corresponding author.Email:dnocera@ (D.G.N.);pamela_silver@ (P.A.S.)RESEARCH |REPORTSo n J u n e 2, 2016h t t p ://s c i e n c e .s c i e n c e m a g .o r g /D o w n l o a d e d f r o mmicroorganisms to electrodes that generate hy-drogen or reducing equivalents directly (9–14).We recently developed a hybrid inorganic-biological system that uses the catalysts of the artificial leaf (15,16)in combination with the bacterium Ralstonia eutropha (17)to drive an artificial photosynthetic process for carbon fixation into biomass and liquid fuels (18).In this system,water is split to oxygen by a cobalt phosphate (CoP i )catalyst and hydrogen is produced by a supports CO 2reduction into complex organic molecules at high efficiency.The Co-P alloy,which is known to promote HER under alkaline solutions (21),exhibits high HER activity in water at neutral pH with minimal ROS production.X-ray photoelectron spectroscopy of Co-P thin films supports the elemental nature of the alloy (fig.S1),and energy-dispersive x-ray spectroscopy (fig.S2)establishes a phosphorus composition of 6weight percent,which we have found to exhibit optimal daic efficiency of 99±2%(fig.S3).Moreover,the activity of this Co-P alloy surpasses the activity of the Earth-abundant NiMoZn and stainless steel (SS)cathodes used previously (18)(Fig.1B).At con-stant voltage,a stable HER current is maintained for at least 16days (Fig.1C).Negligible H 2O 2is produced during HER (Fig.1D),in contrast to that of simple metallic cathodes of Pt and SS.The Co-P HER and CoP i OER catalysts work in synergy to form a biocompatible water-splitting 2+SCIENCE 3JUNE 2016•VOL 352ISSUE 62901211Active water-splitting catalyst with minimal biological toxicity.(A )Reaction diagram and scanning electron microscopy images Co-P alloy cathode and CoP anode.The main water-splitting reaction is shown in black;the side reactions that yield toxicants are in red.bars,10m m.(B )Current-(I-V )characteristics of different catalysts (10mV/s).(Stability of Co-P cathode,as demonstrated by 16-day chronoamperometry.(D )Assay of H 2O 2accumulation for various cathodes combining with CoP i anode:yellow,Pt;stainless steel (SS);red,Co-P alloy.E appl =2.2V.Error bars SEM;n =3.(E )Cyclic voltammetry Co 2+and Ni 2+in the presence of phosphate (P i ).Metal concentrations are both 0.5mM;50mV/s.current for Ni 2+is magnified a factor of 50.indicator of biomass accumulation)in the headspace at correlation between electric consumption by active accumulation under “day ”/“RESEARCH |REPORTSo n J u n e 2, 2016h t t p ://s c i e n c e .s c i e n c e m a g .o r g /D o w n l o a d e d f r o mvoltam-mogram of Co 2+in the phosphate buffer (pH =7)(Fig.1E),a pre-wave to the catalytic water-splitting current corresponds to the oxidation of Co 2+to Co 3+,which drives deposition of the catalyst.The CoP i catalyst is also known to exhibit a deposi-tion rate that is linearly proportional to Co 2+con-centration (22).The self-healing property of CoP i is derived from this interplay of the potential at which OER occurs versus the potential at which the catalyst deposits (20).In concert,the Co-P and CoP i catalysts preserve extremely low concentra-tions of Co 2+in solution through activity derived from the self-healing process.Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS)analysis of a Co-P|CoP i catalyst system (E appl =2.2V)(23)re-veals submicromolar levels of Co 2+in solution after 24hours.This concentration of Co 2+(0.32±0.06m M)is well below the concentration of Co 2+(half-maximal inhibitory concentration IC 50≈25m M)that is toxic to R.eutropha (fig.S4).When diffusion between the two electrodes is impeded by a porous glass frit,Co 2+concentrations rise to ~50m M.We note that for the NiMoZn cathode,Ni 2+concentrations are not regulated by self-healing,as NiP i cannot form from P i (24),and the deposition to NiO x occurs at >1.5V versus normal hydrogen electrode (NHE)(Fig.1E;see fig.S5for comparison with potentials of relevant redox processes).Interfacing the biocompatible Co-P|CoP i water-splitting catalysts with R.eutropha results in a system capable of CO 2fixation.The CoP i catalyst was deposited on a high –surface area carbon cloth as the electrode support (Fig.1A and fig.S6),resulting in high currents (fig.S7)and a faradaic efficiency of 96±4%(fig.S8).CO 2reduction pro-ceeded under voltage within a batch reactor (fig.S9),which was half-filled with a solu-tion containing only inorganic salts (mostly phos-phate)and trace metal supplements (23).The CoP i |Co-P|R.eutropha hybrid system can store more than half its input energy as products of CO 2fixation at low E appl (Fig.2A and table S1).Entries 1,2,3,and 5show that h elec increases with decreasing E appl under 100%CO 2until E appl <2.0V.Below E appl =2.0V (entry 8),a higher salt concentration (108mM phosphate buffer)is re-quired to facilitate mass transport and attendant current (fig.S10).However,high salt concentra-tions are undesirable for R.eutropha metabolism.Thus,a concentration of 36mM phosphate and E appl =2.0V resulted in optimal h elec ;the highest h elec achieved for biomass production was 54±4%(entry 5,n =4)over a duration of 6days.Our CO 2reduction efficiency from H 2is comparable to the highest demonstrated by R.eutropha during H 2fermentation (25).This biomass yield is equivalent to assimilating ~4.1mol (180g)of CO 2captured at the cost of 1kWh of electricity.The amount of captured CO 2is 10%of the amount caught by amine-based carbon capture and storage (~2000g at the cost of 1kWh)(26),whose processed prod-uct cannot be used as fuel.Enlarging the batch reactor volume by a factor of 10did not perturb the efficiency (entries 4and 6),indicating that the system is scalable and the reactor volume does not pose immediate limits.Note that h elec under air (400ppm CO 2)is 20±3%(entry 7,n =3),which is lower than for pure CO 2by a factor of only 2.7,although the partial pressure of CO 2is reduced by a factor of 2500.This indicates that CO 2is not a limiting reagent (see below).The ~20%of h elec for biomass is equivalent to as-similating ~1.5mol of CO 2captured from about 85,200liters of air at ambient condition with the cost of 1kWh of electricity.We also isolated a ROS-resistant variant of R.eutropha from one SS|CoP i water-splitting reactor after 11consecutive days of operation (E appl =2.3V)with a H 2O 2generation rate of ~0.6m M/min.Genome sequencing found several mutations between the strain (BC4)and the wild type (H16)(table S2).In the presence of paraquat as a ROS inducer (27),the IC 50of paraquat for BC4is almost one order of magnitude higher than that of the wild type (fig.S11).There is no ob-vious benefit of the BC4strain with regard to h elec (table S1),further confirming the absence of ROS in our system (see above).Nonetheless,BC4should find great utility for achieving high h elec in systems where ROS is problematic.We found that biomass accumulation scales linearly with the amount of charge passed under pure CO 2(Fig.2B)or ambient CO 2levels (Fig.2C).The linear growth is accounted for by a model that combines governing equations for H 2genera-tion from water splitting and biomass accumula-tion from carbon fixation (23).The model predicts a linear correlation between biomass and charge passed after an induction period of low population density of bacteria and high H 2concentration (Fig.2D and fig.S12),which is consistent with the data shown in Fig.2,B and C,where the induc-tion period is too short to be observed.Gas chroma-tography measurements revealed a H 2concentration in the reactor headspace of 0.19±0.04%(n =3)in 100%CO 2and 0.10±0.05%(n =3)in air,cor-responding to 1.5±0.3m M and 0.8±0.4m M,respectively,in water.These concentrations of H 2are well below the Michaelis constant of ~6m M for membrane-bound hydrogenases in R.eutropha (28),which suggests that H 2is facilely consumed by R.eutropha .Moreover,similar linear growth conditions for both pure and ambient CO 2atmo-spheres provide evidence that H 2oxidation rather than CO 2reduction is rate-limiting for stly,R.eutropha halted growth during “night ”cycles and continued CO 2reduction 12hours later upon resumption of the water-splitting reaction (Fig.2E),confirming the intrinsic dependence of R.eutropha on H 2generation.These data also reveal that the CoP i |Co-P|R.eutropha hybrid sys-tem is compatible with the intermittent nature of a solar energy source.Direct CO 2reduction from air highlights the relatively high affinity of R.eutropha for CO 2at low pressures and at high O 2concentrations,in contrast to results reported for synthetic catalysts (29),individual enzymes (30,31),and strictly anaerobic organisms such as acetogens and methanogens (11–14)(table S3).Metabolic engineering of R.eutropha enables the renewable production of an array of fuels and chemical products (17).When R.eutropha confronts nutrient constraints coupled with carbon excess,the biosynthesis of poly(3-hydroxybutyrate)(PHB)is triggered in the wild-type H16strain as an internal carbon storage pathway (17).As such,digestion is necessary for PHB collection (23).Under a constant rate of water splitting,PHB synthesis was not manifest until nitrogen became12123JUNE 2016•VOL 352ISSUE 6290 SCIENCEof selectively produced RESEARCH |REPORTSo n J u n e 2, 2016h t t p ://s c i e n c e .s c i e n c e m a g .o r g /D o w n l o a d e d f r o mlimiting (~2days),as indicated by the cessation of biomass accumulation (Fig.3A)as well as the h elec measured every 24hours (Fig.3B and fig.S13).With a titer of ~700mg/liter,the 6-day average for PHB synthesis was h elec =36±3%(Fig.2A,entry 9)with a 24-hour maximum of h elec =42±2%(n =3)(Fig.3B).In engineered strains (32,33),this PHB pathway could be modified to excrete the fusel alcohols isopropanol (C 3),isobutanol (C 4),and 3-methyl-1-butanol (C 5),which possess energy den-sities of 24,28,and 31MJ/liter,respectively.The culture supernatant was then analyzed to quantify the secreted alcohols (23).The accumulation of these liquid fuels followed trends similar to those observed for PHB synthesis.As shown in Fig.3,C and E,biomass production reached a plateau while isopropanol titers grew to ~600mg/liter and C 4+C 5alcohol titers grew to ~220mg/liter.An engineered R.eutropha strain produced iso-propanol with a 6-day average h elec =31±4%(Fig.2A,entry 10)and a 24-hour maximum of h elec =39±2%(n =4)(Fig.3D);a strain engi-neered to produce C 4+C 5alcohols averaged a 6-day h elec =16±2%(Fig.2A,entry 11)with a 24-hour maximum of h elec =27±4%(n =3)(Fig.3F).The achieved titers are higher than previous reported values,and h elec values have increased by a factor of at least 20to 50(10,18).R.eutropha has demonstrated tolerance toward isopropanol (fig.S14),allowing for enriched prod-uct concentrations under extended operation.Our combined catalyst design mitigates bio-toxicity at a systems level,allowing water-splitting catalysis to be interfaced with engineered organisms to realize high CO 2reduction efficien-cies that exceed natural photosynthetic systems.Because E appl required for water splitting is low (1.8to 2.0V),high h elec values are achieved that translate directly to high solar-to-chemical efficien-cies (h SCE )when coupled to a typical solar-to-electricity device (h SCE =h solar ×h elec ).For a photovoltaic device of h solar =18%,the Co-P|CoP i |R.eutropha hybrid system can achieve h SCE =9.7%for biomass,7.6%for bioplastic,and 7.1%for fusel alcohols.This approach allows for the development of artificial photosynthesis with efficiencies well beyond that of natural photo-synthesis,thus providing a platform for the dis-tributed solar production of chemicals.REFERENCES AND NOTES1.N.S.Lewis,D.G.Nocera,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.103,15729–15735(2006).2.N.S.Lewis,D.G.Nocera,The Bridge 46,41–47(2015);/Publications/Bridge/140630/140646.aspx.3.R.E.Blankenship et al .,Science 332,805–809(2011).4.S.Licht et al .,Int.J.Hydrogen Energy 26,653–659(2001).5. F.F.Abdi et al .,mun.4,2195(2013).6. C.R.Cox,J.Z.Lee,D.G.Nocera,T.Buonassisi,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.111,14057–14061(2014).7.J.Luo et al .,Science 345,1593–1596(2014).8.T.R.Cook et al .,Chem.Rev.110,6474–6502(2010).9.T.Zhang,Science 350,738–739(2015).10.H.Li et al .,Science 335,1596(2012).11.K.P.Nevin,T.L.Woodard,A.E.Franks,Z.M.Summers,D.R.Lovley,mBio 1,e00103–10(2010).12.S.Cheng,D.Xing,D.F.Call,B.E.Logan,Environ.Sci.Technol.43,3953–3958(2009).13.C.Liu et al .,Nano Lett.15,3634–3639(2015).14.E.M.Nichols et al .,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.112,11461–11466(2015).15.M.W.Kanan,D.G.Nocera,Science 321,1072–1075(2008).16.S.Y.Reece et al .,Science 334,645–648(2011).17. A.Pohlmann et al .,Nat.Biotechnol.24,1257–1262(2006).18.J.P.Torella et al .,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.112,2337–2342(2015).19.D.A.Lutterman,Y.Surendranath,D.G.Nocera,J.Am.Chem.Soc.131,3838–3839(2009).20.D.K.Bediako,A.M.Ullman,D.G.Nocera,Top.Curr.Chem.371,173–213(2016).21.I.Paseka,J.Velicka,Electrochim.Acta 42,237–242(1997).22.Y.Surendranath,D.A.Lutterman,Y.Liu,D.G.Nocera,J.Am.Chem.Soc.134,6326–6336(2012).23.See supplementary materials on Science Online.24.M.Dinc ă,Y.Surendranath,D.G.Nocera,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.107,10337–10341(2010).25.J.Yu,A.Dow,S.Pingali,Int.J.Hydrogen Energy 38,8683–8690(2013).26.G.T.Rochelle,Science 325,1652–1654(2009).27.J.R.Roede,ler,in Encyclopedia of Toxicology ,P.Wexler,Ed.(Academic Press,ed.3,1984),pp.756–758.28.M.Ludwig,J.A.Cracknell,K.A.Vincent,F.A.Armstrong,O.Lenz,J.Biol.Chem.284,465–477(2009).29.A.M.Appel et al .,Chem.Rev.113,6621–6658(2013).30.A.Parkin,J.Seravalli,K.A.Vincent,S.W.Ragsdale,F.A.Armstrong,J.Am.Chem.Soc.129,10328–10329(2007).31.T.Reda,C.M.Plugge,N.J.Abram,J.Hirst,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.105,10654–10658(2008).32.E.Grousseau,J.Lu,N.Gorret,S.E.Guillouet,A.J.Sinskey,33.J.Lu,C.J.Brigham,C.S.Gai,A.J.Sinskey,Appl.Microbiol.Biotechnol.96,283–297(2012).ACKNOWLEDGMENTSWe thank N.Li for ICP-MS measurement and reagents,and J.Torella,C.Myhrvold,C.Lemon,and M.Huynh for helpful discussions.C.L.acknowledges X.Ling at Nanyang Technological University.Supported by a Lee Kuan Yew Postdoctoral Fellowship (C.L.),a predoctoral fellowship from the NSF Graduate Research Fellowships Program (B.C.C.),Office of Naval Research Multidisciplinary University Research Initiative award N00014-11-1-0725(P.A.S.),Air Force Office of Scientific Research grant FA9550-09-1-0689(D.G.N.),the WyssInstitute for Biologically Inspired Engineering (P.A.S.),and the Harvard University Climate Change Solutions Fund.This work was performed under the First 100W Program at Harvard University.C.L.,B.C.C.,M.Z.,P.A.S.,and D.G.N.are inventors on patent applications (62/218,131)filed by Harvard University and Harvard Medical School relatedto the technology described in this paper.The genome sequences are accessible in the NCBI SRA database under accession number SRP073266.SUPPLEMENTARY MATERIALS/content/352/6290/1210/suppl/DC1MethodsTables S1to S3Figs.S1to S14References (34–49)18February 2016;accepted 22April 2016about 300million metric tons (MMT)an-nually and is increasing by 20MMT per year (1).As a direct consequence of the massive use of plastics in modern society,plastic waste is accumulating,especially in and around urbanized areas,where it often ends up in waterways and is ultimately transported into the ocean (2,3).Because plastic polymers show minimal biological degradation,they remain in the environment for hundreds to thousands ofowing to ultraviolet radiation,physical forces,and hydrolysis (4).Hence,plastic particles continue to accumulate as small fragments (hereafter termed microplastics,and defined as <5mm in size)throughout the world ’s oceans (4,5).Plastic de-bris can affect marine biota both physically (e.g.,by blocking the alimentary tract when ingested)(6)and chemically (e.g.,by leaching toxic pollu-tants that are part of the plastics or that have been absorbed by the plastic)(7).To date,passive ingestion of plastic microdebris by filter feeders is known to occur,but the eco-logical significance of ingestion is poorly under-stood (3,4,8).There is increasing concern thatSCIENCE 3JUNE 2016•VOL 352ISSUE 62901213Department of Ecology and Genetics,Limnology,Uppsala University,Uppsala,Sweden*Corresponding author.Email:oona.lonnstedt@ebc.uu.seRESEARCH |REPORTSo n J u n e 2, 2016h t t p ://s c i e n c e .s c i e n c e m a g .o r g /D o w n l o a d e d f r o m(6290), 1210-1213. [doi: 10.1126/science.aaf5039]352Science and Daniel G. Nocera (June 2, 2016)Chong Liu, Brendan C. Colón, Marika Ziesack, Pamela A. Silver efficiencies exceeding photosynthesisreduction 2biosynthetic system with CO −Water splittingEditor's Summary, this issue p. 1210Science efficient than natural photosynthesis.more photovoltaic cells, solar-to-chemical conversion rates should become nearly an order of magnitude solar toxicity challenges of previous designs and allowed it to operate aerobically. When combined with the a cobalt-phosphorus water-splitting catalyst. This biocompatible self-healing electrode circumvented with Raistonia eutropha combined the hydrogen-oxidizing bacterium et al.photosynthesis design, Liu directly into biomass, fuels, or other useful products. Improving on a previous artificial 2to convert CO from the air by using sunlight. Industrial mimics of photosynthesis seek 2Photosynthesis fixes CO Artificial photosynthesis steps upThis copy is for your personal, non-commercial use only.Article Tools/content/352/6290/1210article tools:Visit the online version of this article to access the personalization and Permissions/about/permissions.dtlObtain information about reproducing this article: is a registered trademark of AAAS.Science Advancement of Science; all rights reserved. The title Avenue NW, Washington, DC 20005. Copyright 2016 by the American Association for thein December, by the American Association for the Advancement of Science, 1200 New York (print ISSN 0036-8075; online ISSN 1095-9203) is published weekly, except the last week Science o n J u n e 2, 2016h t t p ://s c i e n c e .s c i e n c e m a g .o r g /D o w n l o a d e d f r o m。