新型电生物柴油比现有选择更高效、更清洁

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使用柴油的车辆会产生大量碳排放，而脱碳是一项艰巨的任务。根据美国能源信息署的数据，2022 年，柴油燃料的使用量约占美国交通二氧化碳总排放量的四分之一，约占能源相关二氧化碳总排放量的十分之一。
华盛顿大学圣路易斯分校麦凯维工程学院能源、环境与化学工程系主任、露西与斯坦利·洛帕塔教授 Joshua Yuan、密苏里大学化学与生物医学工程系 MizzouForward 教授 Susie Dai 及其在德克萨斯农工大学的合作者利用二氧化碳电催化技术制造出了一种电生物柴油，与大豆生物柴油生产相比，其效率提高了 45 倍，占地面积减少了 45 倍。
他们的研究成果发表在《焦耳》杂志上。
“这一新想法可以应用于循环经济，以比光合作用更高的效率制造出低排放燃料、化学品、材料和食品成分，碳排放量也比石化产品少，”袁说，他与戴在德克萨斯农工大学开始了这项研究。“我们通过确定双原子碳使用的代谢和生化极限，系统地解决了电生物制造中的挑战，并克服了这些限制。”
研究团队利用电催化技术（一种由催化剂表面反应物之间的电子转移引发的化学反应）将二氧化碳转化为生物相容性中间体，如醋酸盐和乙醇。袁教授同时担任生物制造脱碳碳利用再设计 (CURB) 工程研究中心 (ERC) 主任，他表示，这些中间体随后被微生物转化为脂质或脂肪酸，最终成为生物柴油原料。
袁志伟、戴志伟及其团队开发的新型微生物和催化剂工艺使他们的电生物柴油将二氧化碳转化为脂质的太阳能到分子效率达到 4.5% ，这比生物柴油的效率高得多。袁志伟解释说，陆地植物的自然光合作用通常低于 1%，其中不到 1% 的阳光能量通过将二氧化碳转化为植物生长所需的各种分子转化为植物生物质。
他说：“由于脂质具有较高的能量强度，因此转移到生物柴油前体脂质的能量甚至更低。”“相反，当使用太阳能电池板发电来驱动电催化时，电生物柴油过程可以将 4.5% 的太阳能转化为脂质，这比自然光合作用过程要高得多。”
为了促进电催化，该团队设计了一种新的锌和铜基催化剂，该催化剂可产生双原子碳中间体，这些中间体可以通过红球菌 (RHA1) 工程菌株转化为脂质，该菌株以产生高脂质含量而闻名。该菌株还提高了乙醇的代谢潜力，这有助于促进中间体乙酸盐转化为脂肪酸。
在开发出这种新工艺后，该团队分析了该工艺对气候变化的影响，并发现了令人鼓舞的结果。通过使用可再生资源进行电催化，电生物柴油工艺每生产一克由生物质、乙烯等副产品制成的电生物柴油，可以减少 1.57 克二氧化碳，使其具有负排放的潜力。相比之下，传统的石油柴油生产方法每生产一克脂质会产生 0.52 克二氧化碳，而生物柴油生产方法每生产一克脂质会产生 2.5 克至 9.9 克二氧化碳。
“这项研究证明了一个广阔平台的概念，即高效地将可再生能源转化为化学品、燃料和材料，以解决人类文明的根本限制，”袁说。“这一过程可以缓解生物柴油原料短缺，并通过在依赖化石燃料的行业（如远程重型车辆和飞机）实现对化石燃料的独立，从而改变广泛的可再生燃料、化学品和材料制造。”