“这项研究代表了太阳能到化学能转换效率和人工光合作用的另一个关键突破，”伯克利实验室材料科学部门的化学家和本研究的领导者之一PeidongYang说。“通过产生可再生氢气并将其供给微生物来生产甲烷，我们现在可以预期，如果我们的系统是电化学效率高于50%，太阳能化学能量转换效率为10%加上最先进的太阳能电池板和电解槽。“

Yang还在加州大学伯克利分校和Kavli能源纳米科学研究所(Kavli-ENSI)任命了伯克利分校，是在美国国家科学院院刊(PNAS)上描述这项研究的论文的三位相应作者之一。该论文的标题是“太阳能-化学转化的混合生物无机方法”。其他相应的作者是MichelleChang和ChristopherChang。两人还与伯克利实验室和加州大学伯克利分校共同任命。此外，ChrisChang是霍华德休斯医学研究所(HHMI)的调查员。

光合作用是自然在阳光下收获能量并利用它从二氧化碳和水合成碳水化合物的过程。碳水化合物是储存活细胞所用化学能的生物分子。在伯克利实验室团队开发的原始混合人工光合作用系统中，一系列硅和氧化钛纳米线收集太阳能并将电子传递给微生物，用于将二氧化碳还原成各种增值化学产品。在新系统中，太阳能用于将水分子分解成分子氧和氢。然后将氢气输送到使用它的微生物中，将二氧化碳还原成一种特定的化学产品甲烷。

“在我们的最新工作中，我们展示了两项关键进展，”ChrisChang说。“首先，我们使用可再生氢气进行二氧化碳固定，开辟了使用来自任何可持续能源的氢气的可能性，包括风能，热液和核能。其次，我们已经展示了一种有希望使用可再生氢气的生物体，我们现在可以，通过合成生物学，扩展到其他生物和其他增值化学产品。“

两项研究中的概念基本相同-可以利用太阳能的半导体纳米线膜上充满了可以消耗这种能量的细菌，并用它来生产目标碳基化学品。在这项新研究中，膜由磷化铟光电阴极和二氧化钛光阳极组成。在第一项研究中，研究小组与Sporomusaovata合作，这是一种厌氧细菌，可以很容易地接受来自周围环境的电子以减少二氧化碳，在新的研究中，研究小组用Methanosarcinabarkeri填充了膜，这是一种减少使用二氧化碳的厌氧古细菌。氢而不是电子。

“使用氢气作为能量载体而不是电子，可以实现更有效的过程，因为分子氢通过其化学键具有更高的密度，用于储存和输送能量，”MichelleChang说。

在伯克利团队报道的最新膜中，太阳能被吸收并用于通过析氢反应(HER)从水中产生氢气。HER由富含地球的硫化镍纳米颗粒催化，在生物相容的条件下有效地起作用。HER中产生的氢直接被膜中的Methanosarcinabarkeriarchaeons用于产生甲烷。

“我们选择甲烷作为初始目标，因为产品分离容易，可以整合到现有的天然气输送和使用基础设施中，事实证明，使用合成催化剂将二氧化碳直接转化为甲烷已被证明是克里斯·张说：“这是一项艰巨的挑战。“由于我们仍然从天然气中获取大部分甲烷，一种化石燃料，通常来自水力压裂，从可再生氢气源产生甲烷的能力是另一项重要进展。”

Yang补充说：“虽然我们受到自然光合作用过程的启发，并继续从中学习，但通过添加纳米技术来帮助提高自然系统的效率，我们发现有时我们可以做得比自然更好。”

除了相应的作者之外，描述这项研究的PNAS论文的其他共同作者是EvaNichols，JosephGallagher，ChongLiu，YudeSu，JoaquinResasco，YiYu和YujieSung。