沒想到吧，不靠綠葉也能實現“光合作用”了！

亙古至今，太陽都在自然界中起著舉足輕重的作用，中學的時候我們就學習過自然光合作用，想必大家也並不陌生，它就是植物在其葉綠體中透過光合酶利用太陽能將水和二氧化碳轉化為有機物，並放出氧氣的過程。

光合作用作為地球生命活動的能量之源，其太陽能捕獲轉化與酶催化反應之間的協同關係，指引著科學家們提出並構建了人工光合成體系。

圖1 地球生態文明（圖片來源：veer相簿）

人工光合成是仿習光合作用，利用太陽能光催化、光電催化等途徑將水和二氧化碳轉化為氫氣或碳氫化合物等太陽燃料，並釋放出氧氣的過程。而太陽能作為儲量豐富的可再生能源，透過光催化、光電催化等將其轉化為化學能實現有效利用無疑是一個很有前景的方向。

圖2 自然光合作用（圖片來源：veer相簿）

那到底什麼是光催化、電催化以及光電催化呢？

人工光合成的核心——光催化

光催化是指光催化劑參與催化反應的過程，而光催化劑是指在光激發下能夠起催化作用的化學物質的統稱。光催化過程包括光催化劑捕光產生光生電荷、光生電荷分離與傳輸以及光生電荷參與表面催化反應等多個步驟，是跨越多個時間尺度的複雜反應過程。

光催化作為人工光合成的核心，利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣是關鍵步驟之一。對於半導體光催化劑上的光催化水分解，當半導體吸收能量大於其帶隙能量時，價帶中的電子被激發到導帶中，在價帶中留下帶有正電性的空位，即空穴（光照下，半導體光催化劑中，負電的電子遷移後留下呈現出正電性的空位稱為空穴），這一步稱為光生電荷的產生。

光激發產生的電子和空穴會發生分離，分別遷移到半導體表面，這一步稱為光生電荷的分離，而同時發生的也可能是與之互逆的光生電荷的複合過程。最後，水分子利用表面的空穴發生氧化反應產生氧氣，而質子得到電子發生還原反應產生氫氣。

圖3 光催化體系（圖片來源：作者提供）

圖4 光催化太陽燃料製備過程（圖片來源：作者提供）

我們的老朋友——電催化

說到水分解，大家是不是跟我一樣對中學時期學習的通電條件下分解水制氫的反應印象深刻，這一反應實現了電能到氫能的轉化。其實水分子在電能的作用下發生分解，這一現象是在1789年，由阿姆斯特丹的一名商人A。 P。 Troostwijk和一名醫生J。 R。 Deiman首次發現的，這開啟了電催化分解水研究的歷史。後來又被研究者進一步證明電解水的產物分別是氧氣和氫氣。

那什麼是電催化呢？電催化是使電極、電解質介面上的電荷轉移加速反應的一種催化作用。在電催化反應過程中，能催化電極反應的或對電極反應起加速作用的物質稱為電催化劑。電極催化劑的範圍僅限於金屬和半導體等電性材料。

電催化研究較多的有骨架鎳、硼化鎳、碳化鎢、鈉鎢青銅、尖晶石型與鎢態礦型的半導體氧化物，以及各種金屬化物及酞菁一類的催化劑。電催化效能決定於電極反應和催化作用兩個方面，因此電催化材料的選擇尤為重要，必須同時具有這兩種功能：1、能導電和比較自由地傳遞電子；2、能對底物進行有效的催化活化作用。

電催化分解水是目前發展比較成熟的工業制氫技術之一，所得氫氣純度較高，而如何降低成本、提高能源利用率仍是一個重要的研究方向。

光催化與電催化的耦合——光電催化

光電催化分解水制氫和二氧化碳還原也是合成太陽燃料的一種重要方式。其實早在20世紀上半葉，科學家們就對光電化學有了基本研究，直到1972年，日本科學家A。 Fujishima和K。 Honda在研究電解水時，將TiO2作為陽極、Pt作為陰極，他們發現當對TiO2電極進行紫外光照射時，在外電路觀測到由Pt電極向TiO2電極流動的電流，Pt電極和TiO2電極分別發生了產氫和產氧反應。

從此，我們揭開了光電化學合成太陽燃料研究的序幕，人們為了強調催化的作用，也稱其為光電催化。

光電催化人工光合成採用組裝於導電基底上的半導體等捕光材料薄膜及其助催化劑作為光電極，進行太陽能的轉化利用。在光照下（可同時施加外加偏壓），光電極產生光生電子和空穴，電子和空穴分別遷移至光陰極和光陽極表面，進行催化還原和催化氧化反應，實現人工光合成過程。

光電催化體系具有其獨特的優勢：1、光電催化體系電荷分離不僅發生在電極材料內部，還要透過外電路傳輸，所以可利用外加偏壓來促進電荷分離；2、某些在熱力學上不足以分解水的光催化材料在外加偏壓下輔助從而實現光電催化分解水；3、光電催化實現了氧化和還原反應的空間分離，避免了氧化和還原產物的混合，抑制了逆反應。

圖5 光電催化體系（圖片來源：作者提供）

光電化學研究的是光照條件下光電極的電化學性質，即光生載流子參與的光電極-溶液介面的電化學反應過程，因此光電催化體系可以視為光催化和電催化的耦合體系。

結語

傳統的化石能源制氫具有不可再生性，還會造成嚴重的生態環境問題，而透過光催化、光電催化進行太陽能制氫，不僅實現了可再生能源的有效利用，同時也實現了對生態環境的保護，是一條具有廣闊應用前景和重要社會意義的可行之路。

雖然目前在人工光合成這條路上已經取得了不錯的進展，但仍然存在一些關鍵性問題等待著科學家們去解決，道阻且長，需要有“不破樓蘭終不還”的決心和勇氣，相信終究會取得突破，造福人類。

出品：科普中國

作者：X-Y（中科院大連化學物理研究所）

監製：中國科普博覽

編輯：孫晨宇

參考文獻：

［1］李燦。《太陽能轉化科學與技術》

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