可利用氫化酶將空氣中微量的氫氣變能源新型綠能土壤細菌從空氣發電

THE MERIT TIMES

編譯／韋士塔 2023-04-01

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氫化酶的分子結構。圖／網路

氫化酶消耗氫氣的示意圖。圖／網路

土壤細菌能消耗空氣裡的氫，也可以產生電力。圖／網路

編譯／韋士塔

澳洲科學家發現，一些土壤細菌在生存環境惡劣且缺乏食物時，會利用氫化酶（hydrogenase , Huc）消耗空氣中的微量氫氣，作為能量來源。在這個轉換過程產生的電流，或許將是未來運用空氣產生能量的關鍵。

墨爾本蒙納許大學（Monash University）的研究團隊發表於《自然》（Nature）期刊的報告表示，Huc在未來可能為小型、永續的空氣動能設備提供動力，成為另一低成本清潔能源。

研究人員指出，細菌每年從大氣中去除7000萬噸氫氣。研究團隊分析一種「恥垢分枝桿菌」（Mycobacterium smegmatis）的基因碼，這些細菌能在火山口、深海或南極等極端環境，消耗氫氣並從中獲取能量，直接產生電流。

報告指出，氫是最簡單的分子，由兩個帶正電的質子，透過兩個帶負電的電子形成的化學鍵（Chemical Bond）結合在一起。Huc產生電流的原理是打破氫鍵，讓質子分離，釋放電子；這些電子在細菌體內流入所謂「電子傳遞鏈」（electron transport chain），為細胞提供能量。

研究團隊表示，氫只占大氣的0.00005%。由於濃度極低，消耗這種氣體相當不容易，目前所有已知的催化劑都無法辦到。此外，大氣中豐富的氧氣，會毒化大多數耗氫催化劑的活性。

為了探索Huc如何消耗氫，研究人員利用基因工程技術，將Huc與恥垢分枝桿菌的細胞分離。經過數年的努力，研究團隊成功分離出高品質的Huc樣品，在80℃～－80℃的環境都能保有活性。

研究團隊隨後進行實驗，發現即使在氫濃度更低環境，Huc依然能消耗氫氣並產生電流，這代表利用Huc發電的條件相對簡單。此外，Huc完全不受氧氣抑制，這是其他耗氫催化劑所缺乏的特性。

為了評估Huc將氫轉化為電能的能力，研究團隊使用了一種稱為「電化學」（electrochemistry）的技術，證明Huc能把氫直接轉化為電能，為電路供電。

研究人員指出，空氣中的氫氣可提供的能量很少，但或許足以為生物辨識監視器或簡單的運算設備供電。若提供更多氫氣，Huc就能產生更多的電力，並為更大的設備提供動力。

氫化酶發電的研究尚處於早期階段，仍需克服一些技術挑戰，才能發揮Huc的潛力。目前，實驗室可製造的Huc產量相當稀少，每次只能生產數毫克，研究團隊希望能大幅提升產量，擴大到每次可生產數公克，甚至是數公斤。

報告指出，Huc有如天然的電池，能利用空氣中或人為添加的氫，持續產生電流，是開發小型、永續的空氣動力設備的關鍵。純化的Huc可以長期穩定儲存，即使環境溫度出現變化，仍可穩定供電，加上有Huc的細菌無處不在，意味著未來一旦能生產出足夠數量的Huc，就可以穩定地從空氣中獲得清潔能源。

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