人工光合作用会是替代能源领域的下一件大事吗？
威廉与玛丽公司的化学家威廉·麦克纳马拉正在采取一种“生物启发”的方法来解决世界能源危机，他转向了大自然自己的化学发电厂：光合作用。
麦克纳马拉和他的学生们正在模仿植物利用阳光产生能量的方式，致力于创造更清洁、更高效、更经济的方式来获取能量。
“如果你看看外面，所有这些生物都在做我们想做的事情。植物吸收阳光，它们能够以糖的形式从中制造燃料，用来为自己提供能量，”麦克纳马拉说。
收集“绿色”能源的最有效资源之一是利用阳光作为自然能源。太阳能电池吸收阳光产生电能，可以用来为设备供电，也可以储存在电池中。
太阳能电池是一种更环保的能源收集方式，但一些主要的限制阻碍了这项技术取代传统能源。根据麦克纳马拉的说法，其中一个限制是，当没有阳光照射时，没有电力被收集并储存在电池中。这意味着只能收集一定量的能量。在黑暗中，你使用的是电池，效率会下降。他补充说，太阳能电池也非常昂贵，所以传统的太阳能技术并没有得到广泛应用。
“这些东西通常是经济驱动的，因为我们使用的是一种技术。对我们来说，一切都使用太阳能还不可行。”“现在的价格不像石油那么有竞争力。这需要对我们的基础设施进行彻底检修，使其更可用。”
麦克纳马拉是化学助理教授，他的灵感来自于大自然已经创造出更好的利用阳光的方法。他的“生物启发”方法从阳光开始，以氢气作为燃料结束。
他解释说，基本上，这个过程是将一点太阳能通过水，催化剂将质子还原为氢气，留下一些剩余的水。
麦克纳马拉说：“如果你的催化剂真的很有效，你就可以产生更多的氢气，然后在晚上没有太阳的时候使用。”“而且碳足迹很低。”
对将质子还原为氢气所需的还原反应的理解已经很好地建立起来了，但麦克纳马拉说，目前的科学状况使一种可销售的人工光合作用装置过于昂贵。这种化学反应需要金属催化剂，而目前的研究人员已经发现，一些最好、最有效的人工光合作用催化剂是由昂贵的金属，如铂和铑制成的。
麦克纳马拉和他的学生团队再次求助于大自然自己的解决方案，利用地球上丰富的金属，如铁，来制造催化剂。这将改变太阳能的使用规模，因为像铁这样的金属非常便宜。每个学生都在测试一种不同的催化剂，看看地球上丰富的金属的哪种组合最有效地产生氢。麦克纳马拉对利用地球上丰富的金属制造催化剂的兴趣来自于对光合作用和其他自然过程的化学研究。
“你的血红蛋白不需要贵金属。它使用铁，因为我们在进化过程中周围有很多铁。光合作用需要锰，因为地球上有很多锰，”麦克纳马拉说。“我们正试图开发一种催化剂，利用地球上丰富、廉价的铁从水中制取氢。铁是地球上最丰富的过渡金属，所以它显然非常便宜。到处都是。”
15岁的凯瑟琳·梅尔（Kathryn Mayer）大二时加入了麦克纳马拉的佳博体育。她主修化学，辅修环境科学，正在申请研究生院，希望成为一名大气化学家，研究渗入我们呼吸的空气中的各种化合物。
与此同时，梅尔正在研究人工光合作用。她是麦克纳马拉论文《水溶液中铁聚吡啶络合物催化的氢演变》的三位学生合著者之一，另外两位是2014届毕业生甘农·康纳和康纳·特里布尔。这篇发表在《无机化学》杂志上的论文概述了该小组在铁催化剂解决人工光合作用方面的进展。
麦克纳马拉让他的学生们研究一些丰富的金属，包括镍和钴，但他说他更喜欢佳博体育专注于铁催化剂。每种金属都用一种或多种配体进行测试，配体是通过共享电子与金属结合的分子。配体就像一种电化学体积旋钮。
麦克纳马拉说：“我喜欢这种方法的地方在于，我可以物理地调整配体，使它们在特定的电位下进行反应。”“电势很重要，因为如果电势非常负，就需要大量能量来进行反应。”
佳博体育正在为人工光合作用寻找理想的金属配体复合物，麦克纳马拉称之为“效率和活性的最佳点”。在实践中，这意味着一种组合将提供持久、稳定的反应，从而允许建造一种实用的设备，可以在几个月或几年的时间里将水分解成氢和氧，而不需要太多的维护。
有很多可能的金属配体组合，这就是为什么麦克纳马拉让他的学生尽可能多地研究可能的配对。例如，梅耶尔从大三前的夏天就开始研究《无机化学》论文中提到的铁-聚吡啶络合物。
“有趣的是，铁络合物通常在水中不起作用，但这个可以，”她说。
梅尔解释说，每一项研究都是从合成配体开始的。在她的例子中，合成相当简单，尽管一些配体的合成需要比通常的更多的注意。
“空气中有几种化学物质是有毒的，所以你必须在通风柜里使用它们，每次使用少量，”她解释说。“有些化学物质是可燃烧的——它们与空气接触就会燃烧。我们使用的量非常小，我们非常谨慎。”
一旦配体合成，实验者就可以开始电化学实验。催化剂进入一个带有质子源（通常是酸）和溶剂的小电池，然后化学家施加电压。
“我们正在研究电子在化学过程中的转移，”Mayer说。“你分析数据，就能知道在一个非常基本的层面上发生了什么。”
一旦了解了基本的电化学原理，实验就可以开始了——但不是字面上的。尽管人工光合作用的想法是利用自然阳光，但佳博体育需要弧光灯提供的控制。
“在我们通过电化学实验了解了络合物的催化性能之后，我们将继续进行光化学研究。这更像是真正的人工光合作用。催化剂与一个发色团配对。它就像植物中的叶绿素——它是我们的合成物。我们的铁复合物与荧光素很好地配合，荧光素是一种相当便宜、无毒的分子。这很好。我们一起把它放在试管里。它是密封的，我们用一盏灯照射它，就可以测量氢气的产量。”
麦克纳马拉的工作是由弗吉尼亚太空资助联盟新研究者奖和研究公司的多研究者科特雷尔学院科学奖资助的，化学助理教授克里斯汀·乌斯索尔兹。该佳博体育与学生合作撰写的第二篇论文正在接受《无机化学》杂志的审查，麦克纳马拉正在撰写第三篇论文。
使用基于普通金属的催化剂可能是获得更便宜、更清洁能源的关键。麦克纳马拉解释说，利用地球上储量丰富的高可用性金属，将为仍然依赖煤炭的发展中国家提供另一种选择，因为煤炭成本低，而且容易获得。
麦克纳马拉说：“当发展中国家的人们坐在一吨煤上时，很难说服他们使用非常昂贵的东西来制造能源。”
根据麦克纳马拉的说法，使用这种方法的一个额外好处是，反应的副产品之一是清洁的饮用水。
麦克纳马拉说：“在发展中国家，从河流中提取脏水，将其分解为氢，燃烧，然后蒸馏出可以饮用的清洁水。”
这项技术还可以用于许多其他目的。麦克纳马拉解释说，其中一个目的可能是让空间站利用阳光产生自己的燃料。它不仅可以节省空间和资源，还可以使脏水在太空中循环利用。
“你肯定不想在狭小的空间里拖着几加仑的汽油。这将使空间站能够产生自己的燃料，同时产生水。”尽管麦克纳马拉的研究为世界上一些最紧迫的能源问题提供了重要的解决方案，但他强调，最重要的是，我们要不断寻找方法来改进我们收集和使用能源的方式，无论来源是什么。
“研究可再生能源的所有领域是至关重要的。从速度的角度来看，也许风能会比太阳能发展得更快。”“只要我们继续努力。”
