反向燃烧

2012年美国加州大学洛杉矶分校萨缪里工程与应用科学学院的研究人员进行的实验

2012年10月，美国加州大学洛杉矶分校萨缪里工程与应用科学学院的研究人员进行了一项非常有意义的实验，使二氧化碳实现了“反向燃烧”和“闭合循环”。研究人员对一种名为富养罗尔斯通氏菌H16的微生物进行了基因改造，使用二氧化碳作为单一碳来源，电力作为唯一的能量输入，在电子生物反应器中生产出异丁醇和异戊醇。

简介

由此人们既可以生产像汽油一样的燃料，同时又能保护现有的基础设施，在一定程度上缓解全球变暖危机。

背景介绍

电气化学中甲酸盐的（高温高压酶催化）生成，生物学中二氧化碳的固定，以及高级醇的合成，都为电力驱动二氧化碳向多种化学物质的生物转化开启了可能。此外，甲酸盐转化为液体燃料也将在生物质炼制过程中发挥重要作用。

几项技术的研究都是希望在降低温室气体的主要成分二氧化碳的同时产生高附加值的化学物质或者生物质燃料。这样的研究思路为的是缓解全球性的气候变暖，加快生态系统的碳循环，同时要解决化石燃料使用带来的一系列问题。

电气化学中的甲酸盐的生成主要是利用高温高压条件下的酶催化反应实现，而生物学中的二氧化碳固定也是由一系列的酶催化反应实现，只是这个过程相比较于电气化学更温和。在这两个过程中都涉及到了电子的转移和传递过程，因此通过电力驱动电子的转移，转向的电子受体不同就会产生不同的化学物质。在电化学的过程中，酶催化反应的速度很快，但是不稳定；而生物学的过程中，酶催化反应稳定但速度慢。因此，通过生物学与电化学的互补性研究，才推动了这个领域的发展。

原理

加州大学洛杉矶分校的研究人员的这个实验就是通过一种电生物反应器来将电能转化为液体燃料，整个过程类似于生物系统的光合作用。与植物的光合作用一样，富养罗尔斯通氏菌H16通过卡尔文循环固定二氧化碳。

它工作的方式很像生活中的汽车自动装配生产线：富养罗尔斯通氏菌H16利用乙酰辅酶A（看做是活化了的乙酸）作为流水线的传送带和自动机器人手，以二氧化碳作为原料或零件，将其拼装成4个碳或5个碳的含高能量的有机化合物，最终形成如异丁醇和异戊醇等有机化合物或高分子化合物。

过程

通过把生物光合作用的两大部分分开进行来制造新燃料的：首先，利用太阳能电池板将太阳能转化为电能，产生甲酸完成光反应。然后，再利用中间体，也就是之前生成的甲酸来驱动富养罗尔斯通氏菌H16固定二氧化碳产生燃料，实现暗反应。

应用

产物应用

这项技术将二氧化碳转化出来的产物主要是异丁醇和异戊醇。

异丁醇是四个碳的醇，它可作为平台化学品，具有广泛的用途，可生产约40%的石化产品和100%的烃类燃料。所以说异丁醇可作为一种替代汽油的内燃机燃料。另外它还可以用于制造汽油添加剂、石油添加剂、抗氧剂、2,6-二叔丁基对甲酚、乙酸异丁酯（涂料溶剂）、增塑剂、合成橡胶、人造麝香、果子精油和合成药物等。

异戊醇与亚硝酸钠酯化得到亚硝酸异戊酯，是作用最快的亚硝酸酯类短效血管扩张剂。异戊醇也用来合成镇静催眠药溴米那、阿米妥。异戊醇还可作溶剂和化学分析的试剂，也用作生产增塑剂、摄影药品的原料。它还是燃料油的组分。

应用前景

电能是一种干净无污染的能源，用电能取代汽油驱动各种机器是大家共同的心愿。一般使用锂离子电池来储存电力，存储密度很低，但当以液态形式存储燃料时，存储密度能显著提升，并且新方法还具备利用电力作为运输燃料的潜力，而无需改变现有的基础设施。加州大学这次提出的将电能储存为高级醇形式的化学能的方式，就可能为这个领域的发展开辟一条新路。

随着原油储量的逐渐减少，汽油的价格也在持续地上涨，所以像这类的“生物炼油厂”是绝对值得人类投入精力财力来开发的。总而言之，依靠二氧化碳实现“反向燃烧”和“闭合循环”的效益是无比诱人的。由此，人们既可以生产像汽油一样的燃料，同时又能保护现有的基础设施。[2]

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