雷鋒網(wǎng)按：本文作者維克，來自知社學(xué)術(shù)圈。

太陽能對于人類來說早已不是新鮮事物，然而依靠光伏電池板產(chǎn)生的電能并不能滿足我們的所有需求。植物可以通過光合作用提供自身所需的能量，并產(chǎn)生氧氣。然而人類是否也能從大自然中摘得一片“綠葉”，為自己制造能源呢？讓我們看看科學(xué)家們在這條路上的奮斗歷程，以及華人學(xué)者楊培東的最新成果。恍然間，夢想仿佛照進了現(xiàn)實。

播撒能量的種子

植物復(fù)雜化學(xué)過程中的重要一步就是將水拆分為氫和氧，對于人工光合作用來說，這也是核心問題。由水所生成的氫氣本身就可以作為能源，當(dāng)然，如果目標(biāo)產(chǎn)品是更高能量密度的碳氫燃料，比如甲烷和乙醇，那么這只是第一步。

早在上世紀(jì)70年代，日本學(xué)者Akira Fujishima和Kenichi Honda就已經(jīng)在從事這方面工作。在光照條件下，借助二氧化鈦和鉑電極可以催化分解水。隨著1973年石油危機的出現(xiàn)，許多青年學(xué)者都投身到了人工光合作用的研究中去。

人工光合作用簡圖。頂部薄膜可吸收陽光、二氧化碳和水，同時允許氧氣釋放；內(nèi)部薄膜的特定分子可幫助催化反應(yīng)并生成燃料；底層將燃料轉(zhuǎn)移保存。圖片來源加州理工。

氫氣的希望

隨著油價的下調(diào)和一些地區(qū)對可再生能源研究經(jīng)費的削減，第一股人工光合作用熱潮也很快褪去。不過，堅持下來的學(xué)者還是不負眾望的。1998年，美國國家可再生能源實驗室John Turner提出了效率為12.4%的水分解系統(tǒng)。進入21世紀(jì)，環(huán)境保護和氣候變化越發(fā)得到重視，更多的學(xué)者也重新回到了綠色能源的研究行列。

研究的首要目標(biāo)之一就是尋找新材料以替代昂貴的鉑電極?？茖W(xué)家們曾嘗試了鎳和鉬的硫化物，而加州理工的人工光合作用聯(lián)合中心 (JCAP) 在嘗試了幾百種催化劑后，發(fā)現(xiàn)了一些性能可匹敵鉑的材料。其中以鈷鉬化合物最佳。而水的分解過程也與早先日本科學(xué)家的方法有所不同，光照被電力取代。當(dāng)然，如果電源來自太陽能電池的話，這個過程才算得上清潔。

而后，人們不斷地在這條路上努力，澳大利亞莫納什大學(xué)學(xué)者甚至號稱制出極限效率接近30%的系統(tǒng)。不過，綠色與高效只是其中一方面，成本問題也同樣重要。

如今，工業(yè)上主要依靠甲烷的蒸氣重組法來制備氫氣，這是一種高耗能但低成本的方法。前JCAP負責(zé)人Nathan Lewis估計，這種方式制取氫氣的成本大約為每公斤2美元，如果將傳統(tǒng)太陽能電池供電也包含在內(nèi)，每公斤大概為5到7美元。相比目前的市場價格，新興的制氫方法恐怕還難以競爭。

當(dāng)然，氫氣并不是最理想的燃料，因為世界上絕大部分現(xiàn)存的基礎(chǔ)設(shè)施都是針對更高密度的能耗供應(yīng)來建造的，比如汽油和天然氣。清潔制氫的最直接收益大概就是有助于氨肥的可持續(xù)生產(chǎn)。不過，人們可能更傾向于把氫氣當(dāng)作一種輔助性材料。斯坦福大學(xué)教授Jens Norskov說：“我覺得氫氣可以作為一種提升其他事情的手段。”

綠色燃料

回到那個話題，如果我們以二氧化碳為原料，通過用人工“綠葉”直接制造更高能量密度的燃料，那將是更有效率的。二氧化碳可以直接從發(fā)電廠獲取，如果這最終能轉(zhuǎn)化為一種運輸用燃料或者高價值化學(xué)品的話，將是很有意義的。

JCAP現(xiàn)任負責(zé)人Harry Atwater指出，甲醇和乙醇應(yīng)該是不錯的選擇。目前乙醇已經(jīng)被用于燃料當(dāng)中，而用甲醇制取汽油也有很高效的方法。然而，即使是直接生成這些簡單的碳氫化合物，相比分解水來講也要困難許多。

這其中的化學(xué)過程要復(fù)雜很多。Norskov介紹，分解一個水分子需要四個電子，而制取簡單的甲烷 (CH4) 則需要牽扯8個電子，且每個都具有不同的能量，這在創(chuàng)造但單碳分子的時候?qū)⒎浅Ｂ闊?/strong>。

化學(xué)家們難以在實驗室中完成的事情，樹葉則信手拈來：制造復(fù)雜的糖，生成其他有機分子。神奇的大自然通過3D酶來協(xié)調(diào)所有成分，高效有序地實現(xiàn)各種中間反應(yīng)和電子轉(zhuǎn)移。這些精妙的天然催化劑在能量流轉(zhuǎn)過程中猶如曇花一現(xiàn)，很快被摧毀，又隨時被植物細胞重建和替換。相比之下，人造催化劑則需要擁有自我修復(fù)的能力，或者具有高強度和耐久性。設(shè)計擁有如此能力的催化劑則是一項艱難的挑戰(zhàn)。

或許構(gòu)建人工葉片的最大挑戰(zhàn)是創(chuàng)造植物那樣精巧的酶。天然蛋白質(zhì)能夠生產(chǎn)出精密的產(chǎn)品，比如純甲烷。而人工合成的催化劑恐怕很難做到這一點，常常會附帶生成很多預(yù)期之外的產(chǎn)物。面對種種難題，科學(xué)家們該何去何從？

另辟蹊徑，讓細菌來工作

加州伯克利大學(xué)的實驗室中擺著一個不起眼的缸子——它正在嘗試制造終極綠色燃料。設(shè)備里安置著納米導(dǎo)線電極和細菌群落，其制造清潔能源的公式非常簡單：

陽光+ 水+ 二氧化碳 = 甲烷

這就是楊培東魔盒中的內(nèi)容，他還要憑此制造出乙酸、丁醇等更為復(fù)雜的產(chǎn)品。

今年5月剛剛當(dāng)選美國科學(xué)院院士的國際頂尖納米材料學(xué)家楊培東也在從事著“人工光合作用”的研究，然而他選擇了另一條道路，與其艱難地尋找巧奪天工的催化劑，不如拿來主義，借大自然之手創(chuàng)造神奇。

太陽能到化學(xué)能的生物無機轉(zhuǎn)化途徑, 圖片來源PNAS

兩年前，楊培東就已經(jīng)證明了半導(dǎo)體納米導(dǎo)線概念的正確性。相比之下，這種高比表面積的材料可以吸收更多的光，抓住更多的催化劑。

而這次，對于固碳這個難點，他選擇用巴氏甲烷八疊球菌 (Methanosarcina barkeri) 來作為“活體催化劑”。實驗過程中，陽極一如既往地將水拆解為氧氣和氫離子；另一端，氫離子與電子作用生成氫氣并溶于水中，不同的是，半導(dǎo)體納米導(dǎo)線吸收光之后，把電子傳給細菌，后者將其與二氧化碳結(jié)合產(chǎn)生甲烷。整個過程效率很高：電解水產(chǎn)生的電子有86%都參與了制造甲烷的反應(yīng)。冒出水的甲烷氣泡則被收集保存起來。

實驗裝置 a.陽極池 b.陰極池 c.陽極電源 d.參考電極 e.二氧化碳溶液攪拌 f.連接氣相色譜儀(GC)取樣檢測 g.人工氣體注入/取樣用密封口。圖片來源PNAS

這是一個具有可行性的途徑，真正做到了直接將太陽能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而且其轉(zhuǎn)化效率與真正的植物不相上下。也許談商業(yè)化還為時尚早，但回首人類對于細菌的種種利用，楊培東提出的新方法很具有進一步探索的價值。用他的話說：

我們的最終目標(biāo)是把太陽能、水、二氧化碳轉(zhuǎn)化成燃料，我們還要做更大的東西，從一碳做到二、三、四碳。

楊培東，1971年出生，美籍華裔化學(xué)家、材料科學(xué)家。2011年湯森路透最優(yōu)秀百名材料學(xué)家首位，2015年獲麥克阿瑟獎獎，2016年5月當(dāng)選美國科學(xué)院院士。現(xiàn)為加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)和材料科學(xué)雙聘教授，美國文理科學(xué)院院士。他因?qū)Π雽?dǎo)體納米導(dǎo)線和納米導(dǎo)線光子學(xué)研究領(lǐng)域做出的杰出貢獻而獲獎。麥克阿瑟基金會在對楊培東的獲獎評價中說，過去十多年來，從研制出第一個納米導(dǎo)線激光器到現(xiàn)在設(shè)計納米導(dǎo)線太陽能電池，楊培東領(lǐng)導(dǎo)的團隊在納米導(dǎo)線光子學(xué)研究領(lǐng)域做出多個重大突破。

參考資料 

News Feature: Liquid sunlight

Hybrid bioinorganic approach to solar-to-chemical conversion

專訪楊培東:開創(chuàng)新領(lǐng)域,才會有原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)

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