日前，2022年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞在京揭曉，其中“海水里原位直接電解制氫”和“二氧化碳人工合成葡萄糖和脂肪酸”兩項(xiàng)研究尤為引人注目。

深圳團(tuán)隊(duì)破解難題

氫能作為新一代清潔能源，電解水制備氫是一種綠色且高效的方法，但使用淡水資源作為電解液，無(wú)疑加劇了淡水資源短缺問(wèn)題。海水直接電解制氫，業(yè)界公認(rèn)是最理想的制氫方案，不過(guò)這種方法被提出半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，其技術(shù)上一直缺乏革命性的突破，無(wú)法進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用。

2022年11月30日，中國(guó)工程院院士謝和平與他指導(dǎo)的深圳大學(xué)、四川大學(xué)博士生團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表論文，以物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路，建立了相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水無(wú)淡化原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)。該技術(shù)徹底隔絕了海水離子，實(shí)現(xiàn)了無(wú)淡化過(guò)程、無(wú)副反應(yīng)、無(wú)額外能耗的高效海水原位直接電解制氫，即在海水里原位直接電解制氫。該成果破解了有害腐蝕性這一困擾海水電解制氫領(lǐng)域的半世紀(jì)難題。

與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)研制了全球首套400L/h海水原位直接電解制氫技術(shù)與裝備，在深圳灣海水中連續(xù)運(yùn)行超3200小時(shí)，令人信服地從海水中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定和規(guī)模化制氫過(guò)程。此外，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了酸性和堿性固態(tài)凝膠電解質(zhì)，以表明相變遷移策略適配不同電解質(zhì)材料并有望伴隨PEM和AEM電解技術(shù)迭代發(fā)展。同時(shí)，該原理技術(shù)可探索推廣到多元化水資源(如河水、廢水、鹽湖等)直接原位制氫，為資源富集濃縮與能源生產(chǎn)提供多效利用新思路。

該項(xiàng)研究成果發(fā)布后，業(yè)界紛紛介入，希望能盡早進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化落地。去年12月16日，謝和平院士團(tuán)隊(duì)與東方電氣股份有限公司、東方電氣(福建)創(chuàng)新研究院有限公司簽署“海水無(wú)淡化原位直接電解制氫原創(chuàng)技術(shù)中試和產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用”的四方合作協(xié)議。

二氧化碳“變廢為寶”

將二氧化碳人工轉(zhuǎn)化為高附加值化合物，“變廢為寶”，是科技界持續(xù)攻關(guān)的重要領(lǐng)域。此前，我國(guó)科學(xué)家在世界上首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的完整合成，成為震撼全球科技圈的熱點(diǎn)新聞。那么，二氧化碳除了“變”淀粉，還能“變”其他東西嗎？這次，科學(xué)家們將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，進(jìn)一步利用微生物可以合成葡萄糖和油脂。

該研究成果由電子科技大學(xué)夏川課題組、深圳先進(jìn)院于濤課題組和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰課題組共同完成，2022年4月28日，以封面文章形式發(fā)表于《自然—催化》上。

二氧化碳究竟是如何變成葡萄糖和油脂的呢？研究團(tuán)隊(duì)首先要把二氧化碳轉(zhuǎn)化為可供微生物利用的原料——乙酸，方便微生物發(fā)酵。隨后，研究團(tuán)隊(duì)利用釀酒酵母這一微生物來(lái)合成葡萄糖。據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)改造釀酒酵母來(lái)提高合成的葡萄糖產(chǎn)量。于濤表示，經(jīng)過(guò)改造后的工程酵母菌株的葡萄糖產(chǎn)量達(dá)到2.2g/L。

據(jù)介紹，這種通過(guò)電催化結(jié)合生物合成的新型催化方式，可以有效提高碳的附加值。未來(lái)，如果要合成淀粉、制造色素、生產(chǎn)藥物等，只需保持電催化設(shè)施不改變，更換發(fā)酵使用的微生物就能實(shí)現(xiàn)。“該工作開(kāi)辟了電化學(xué)結(jié)合活細(xì)胞催化制備葡萄糖等糧食產(chǎn)物的新策略，為進(jìn)一步發(fā)展基于電力驅(qū)動(dòng)的新型農(nóng)業(yè)與生物制造業(yè)提供了新范例，是二氧化碳利用方面的重要發(fā)展方向。”中國(guó)科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)教授鄧子新評(píng)價(jià)道。