“人工光合作用”會是解決氣候問題的救星嗎？丨世界地球日

4月22日是世界地球日，中國科學院副院長丁仲禮曾說，地球不需要被拯救，需要被拯救的是人類自己。

在過去的一年裡，加州超大山火、北極海冰縮減至歷史記錄第二低值、海洋熱量創紀錄等，影響了無數人的生活。二氧化碳等溫室氣體排放量激增導致的氣候變化是人類面臨的全球性問題。

太陽能等可再生清潔能源在“碳中和”目標下得到了更廣泛的關注，在政策支援下，我國未來十年太陽能的利用將會得到進一步發展。

今年地球日的主題是“修復我們的地球（Restore Our Earth）” 圖｜TeePublic

一般情況下，太陽能可以透過太陽能電池轉化成電能，但要在常見的太瓦級（10的12次方瓦特）電能需求層面上解決能源轉化與儲存問題非常困難。因此，科學家們提出了一種將太陽能轉化為高密度化學能的思路，即人工光合作用。

一葉一乾坤，科學家們從植物的光合作用中得到靈感，近百年來不斷探索如何實現人工光合作用，希望利用陽光，將水及二氧化碳轉化為碳化合物與氧氣，即把光能轉化為化學能，儲存在化合物中。麥克阿瑟天才獎得主、美國科學院院士、世界頂尖科學家協會（WLA）會員楊培東教授也是其中之一。

楊培東教授把他研發的人工光合作用裝置稱為“液體陽光”，以半導體光學二極體為基礎，構建奈米“森林”，捕捉太陽光並利用空氣中的二氧化碳合成有用的化學制品（包括化學燃料、藥品，以及人類生存所需要的高分子材料）。此舉不僅能夠實現碳的0排放，還能直接降低大氣中的二氧化碳含量。這項發明讓楊培東教授獲得了2020年全球能源獎的“非常規能源類”獎項。

植物的光合作用 圖｜千圖網

植物光合作用的全反應分為兩個過程，即需要陽光參與的“光反應”與不需要陽光參與的卡爾文固碳迴圈反應。在人工光合作用中，需要找到合適的催化劑才能實現兩個反應。同時，高比表面積（指單位重量的物體的表面積大小，比表面積越大，物體細度越細）的裝置也將增加太陽能轉化的效率。

楊培東教授的研究團隊在半導體矽的奈米導線陣列（高比表面積）中佈置了兩類催化劑，即光反應需要的水氧化催化劑與固碳所需要的二氧化碳還原催化劑，在半導體吸收光能後，整個系統能透過導線表面的催化劑實現光合作用的全反應。團隊在2014年就透過人工光合作用成功生成了醋酸。醋酸是簡單而重要的化學中間體，可利用工業技術轉化成其它各類化學制品，例如汽油、前體藥品等。

楊培東教授認為，人工光合作用是一個相對來說比較好的、終極的碳平衡方案，同時能夠解決能源問題，包括二氧化碳排放的環境問題。

電子顯微鏡下的三維奈米導線陣列 圖｜新浪科技

在一步步的改進工作後，目前，研究團隊的人工光合作用太陽能轉化效率比可達8%-10%，比自然界高出16-20倍。團隊仍在繼續改進催化劑以及二氧化碳還原環境（如高鹼濃度體系），以進一步提升轉化效率。隨著這項釜底抽薪式碳中和技術的發展，未來陽光和水將成為清潔能源的來源，唯一副產物是氧氣。

此外，這項研究還有更加深遠的拓展和應用，如“人工固氮”和火星大氣改造計劃（火星大氣96%為二氧化碳）。

參考連結：

1。https：//public。wmo。int/zh-hans/media/

2。http：//www。xinhuanet。com/fortune/2020-12/15/c_1126864843。htm

3。https：//en。wikipedia。org/wiki/Artificial_photosynthesis

4。https：//tech。sina。com。cn/scientist/2019-07-25/doc-ihytcitm4436494。shtml

5。https：//www。dailycal。org/2020/09/14/uc-berkeley-professor-peidong-yang-receives-global-energy-prize/

6。https：//www。thepaper。cn/newsDetail_forward_12182652