用事业奖来开启新的一页
要想见证地球上最先进的太阳能机器之一，只要看看你的室内植物就知道了。威廉·麦克纳马拉说，这种植物可能掌握着人类未来能源的关键。
William & 玛丽的化学副教授麦克纳马拉说，模仿光合作用产生的能量有可能有朝一日为从电网到火箭的一切提供动力。
麦克纳马拉的灵感来自于大自然利用阳光作为能源的方式，所以他把目光投向了开发一种利用和储存太阳能的方法，作为一种与我们目前的能源基础设施兼容的化学燃料。他的“生物启发”方法从阳光开始，以氢气结束。
他最近获得了美国国家科学基金会颁发的五年职业生涯奖，以继续他的研究，他正在与W&M大学的本科生团队一起进行这项研究。美国国家科学基金会将职业基金授予“有潜力在研究和教育中成为学术榜样，并在其部门或组织的使命中引领进步的早期职业教师”。
麦克纳马拉说，发展清洁和可持续能源是当今社会面临的最紧迫问题之一。太阳提供了地球上最丰富的可再生能源，但我们还没有充分利用它的潜力，他说。
麦克纳马拉说：“如果我们完全把自己从日常生活的背景中抽离出来，仔细审视一下我们的能源系统，我们会发现我们所做的是如此低效、肮脏和笨拙。”“假设外星人明天来了。他们会怎么想？我们在太阳上有一个核反应堆，它在一个半小时内提供足够的能量，为我们的星球提供一年的动力。我们没有使用这种能量，而是燃烧地下的老旧、死物质。这没有任何意义。”
麦克纳马拉和他的学生们正在模仿植物利用阳光产生和储存能量的方式，致力于创造更清洁、更高效、更经济的方式来收集太阳能。
麦克纳马拉说：“植物吸收阳光，它们能够以糖的形式将其转化为燃料。”“它们非常擅长收集太阳能并为自己供电。”
麦克纳马拉解释说，植物储存糖并将其分解以获得能量，而人造燃料电池通过将元素聚集在一起来发电。光合作用分解化学物质以获得能量，而燃料电池通过结合化学物质（如氧和氢）来发电。
“这种反向反应实际上在能量上是有利的，”麦克纳马拉说，“但植物不是这样工作的。”
麦克纳马拉发现了一种考虑到植物如何工作的方法，但不依赖于储存的糖来产生能量。他和他的学生们进行了一个叫做人工光合作用（AP）的过程。通过染料利用太阳光，将水分解成氧气和氢气。他解释说，基本上，这个过程是将一点太阳能通过水，化学催化剂将质子转化为氢气，留下一些剩余的水。
麦克纳马拉解释说，当谈到副产品时，没有什么比氢气和水更好的了。氢气可以直接用作燃料，也可以在氢燃料电池中与氧气结合发电。燃烧人工光合作用产生的燃料产生的水可以纯净到可以饮用。
麦克纳马拉说：“这是你所能期望的最好的副产品。”“想想那些需要可靠能源和饮用水的发展中国家。这个系统兼顾了这两个方面。”
广泛采用人工光合作用的最大障碍是成本。这种化学反应需要金属催化剂。当今一些最好和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。
作为一种更经济的替代方案，麦克纳马拉设计了一种利用地球上丰富的铁元素制氢的系统。麦克纳马拉和他的学生团队再次求助于光催化系统的自然解决方案。他们的灵感来自于一种铁基酶，这种酶能自然地将水分解成氢和氧。叫做氢化酶。
氢化酶将氢分解成质子和电子，并将它们重新组合形成氢气。这种酶看起来几乎像羊毛一样。它四周都被卷曲的蛋白质链包围着。在这团蛋白质的深处是触发反应的机制，麦克纳马拉和他的团队正在寻找一种催化剂。问题是，如果没有这些额外的蛋白质，这种机制就无法发挥作用。
麦克纳马拉说：“如果你只制造活性位点，也就是奇迹发生的地方，而周围没有蛋白质，它就完全不稳定。”“它在空气中分解几分钟。我们要做的是看着它，然后问我们怎样才能使它变得更简单，但更稳定，更活跃？我开玩笑说这是‘缺乏生物灵感’，因为我们实际上把生物从其中剔除了。”
一旦他们分离出酶催化剂，研究小组就会将其与发色团配对，发色团相当于植物中的叶绿素。他们发现铁基复合物，如氢化酶，与荧光素很好地配合，荧光素是一种无毒分子，从眼科检查到法医血迹指示都被广泛使用。
就像在自然界一样，该系统通过一系列化学过程将阳光转化为燃料。该团队利用荧光素收集阳光，为酶激发的催化反应提供动力，将水分解成氧气和氢气。但与自然不同的是，麦克纳马拉的系统简化了生物过程，以最大限度地提高效率。
“自然过程是如此复杂和复杂，”麦克纳马拉说。“挑战在于，作为合成化学家，我们如何在不涉及所有复杂生物学的情况下，获得类似的结果？”
来自美国国家科学基金会的CAREER基金将培训15名学生，主要是本科生，进行多学科研究，以开发光催化系统。麦克纳马拉的佳博体育还将在当地一所公立高中开展一项课后研究项目，重点是为科学领域代表性不足的群体提供指导。
麦克纳马拉说：“外联部分是关键。“我们将让本科生直接与高中生一起工作，让他们以一种非常实际和真实的方式思考可持续能源。”
学生们将共同努力，寻找最有效和最具成本效益的金属化合物用作催化剂。麦克纳马拉解释说，他们将测试每种金属，作为全国范围内筛选各种不同催化剂前体的努力的一部分。
最终目标是找到一种能提供持久、稳定反应的组合，从而制造出一种能将水分解成氢和氧的装置，这种装置可以持续数月或数年，而不需要太多的维护。人工光催化系统可以像自然生物系统一样自行运行。
麦克纳马拉说：“对化学家来说，从大自然中寻找灵感并不罕见。“我们有很多东西要从自然界学习。”
