科学家利用电催化和生物转化开发生物柴油
柴油驱动的车辆显著贡献了碳排放，使得实现脱碳变得困难。根据美国能源信息署的数据，2022年，柴油燃料占美国运输碳排放的近25%，大约占能源使用相关排放的10%。
来自麦凯尔维工程学院的能源、环境和化学工程系主任、露西和斯坦利·洛帕塔教授Joshua Yuan，以及密苏里大学化学和生物医学工程的MizzouForward教授Susie Dai，和他们在德克萨斯农工大学的同事们，成功地利用电催化将二氧化碳转化为电生物柴油，这种生物柴油的效率是传统大豆基生物柴油生产的45倍，所需土地面积减少45倍。他们的发现于10月31日发表在期刊《Joule》上。
Yuan表示：“这个创新概念可以通过生产排放负值的燃料、化学品、材料和食品成分，远比光合作用更高效地贡献于循环经济，同时排放的碳也少于石化产品。”他与Dai在德克萨斯农工大学共同发起了这个项目。“我们通过明确使用双原子碳的代谢和生化限制，系统性地解决了电生物制造中的问题，并成功超越了这些限制。”
研究团队采用电催化，这是一种由催化剂表面电子交换触发的化学反应，来将二氧化碳转换为生物相容性物质，如醋酸和乙醇。根据国家科学基金会资助的碳利用重新设计（CURB）生物制造赋能脱碳工程研究中心（ERC）主任Yuan的说法，这些中间体随后被微生物转化为脂质或脂肪酸，进而形成生物柴油原料。
结合微生物和催化剂的创新过程使得他们的电生物柴油在将二氧化碳转化为脂质的过程中实现了4.5%的太阳能到分子的效率，这显著优于传统生物柴油的生产。通常，陆生植物的自然光合作用效率低于1%，其中少于1%的太阳能通过将CO2转化为植物生长的各种分子而转化为生物质，Yuan解释道。
“用于制造生物柴油前体脂质的能量通常更少，因为脂质能量密度很高，”他指出。“相比之下，我们的电生物柴油方法在太阳能电力的驱动下能够将4.5%的太阳能转化为脂质，这比自然光合作用高效得多。”
为了增强电催化效果，团队制作了一种新型催化剂，由锌和铜组成，能够生成双原子碳中间体，这些中间体可以使用一种特殊工程的细菌Rhodococcus jostiii（RHA1）转化为脂质，该细菌因其能够生产高脂质含量而闻名。该细菌还改善了乙醇的代谢处理，促进了醋酸（中间体）向脂肪酸的转化。
在建立这一新技术后，研究人员评估了其潜在的气候影响，发现了有希望的结果。通过在电催化过程中利用可再生资源，他们发现电生物柴油的生产每生产一克电生物柴油就可以减少1.57克二氧化碳，同时还有生物质副产品和乙烯，表明可能产生负排放。相比之下，传统石油柴油每克产生0.52克二氧化碳，而生物柴油生产通常每生产一克脂质会产生2.5克至9.9克的二氧化碳。
Yuan评论道：“这项研究展示了一种有效将可再生能源转化为化学品、燃料和材料的可行方法，解决了现代社会面临的关键限制。这个技术可以缓解生物柴油原料的短缺，并彻底改变可再生燃料、化学品和材料的生产，从而减少对化石燃料的依赖，尤其是在重度依赖化石能源的领域，如长途重型运输和航空。”
