植物通過(guò)光合作用將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為能量。我們能做同樣的事情嗎?

　    如果最聰明的能源是豐富、廉價(jià)和清潔的能源，那么植物比人類聰明得多。數(shù)十億年來(lái)，他們開(kāi)發(fā)出了可能是世界上最高效的電源： 光合作用，或?qū)㈥?yáng)光、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為可用的燃料，在此過(guò)程中釋放有用的氧氣。

　　就植物(以及藻類和一些細(xì)菌)而言，“可用燃料”是碳水化合物，蛋白質(zhì)和脂肪。另一方面，人類正在尋找液體燃料來(lái)為汽車提供動(dòng)力，并尋找電力來(lái)運(yùn)行冰箱。但這并不意味著我們不能依靠光合作用來(lái)解決我們骯臟、昂貴、日益減少的能源問(wèn)題。多年來(lái)，科學(xué)家們一直試圖想出一種方法來(lái)使用與植物相同的能源系統(tǒng)，但最終輸出有所改變。

　　僅使用陽(yáng)光作為能量輸入，工廠進(jìn)行大規(guī)模的能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生11，020億噸(1萬(wàn)億公噸)的一氧化碳2 每年轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，即以食物形式為動(dòng)物提供的能量[來(lái)源： 獵人].這只使用了到達(dá)地球的陽(yáng)光的3%[來(lái)源： 博伊德].

　　陽(yáng)光中可用的能量是一種尚未開(kāi)發(fā)的資源，我們才剛剛開(kāi)始真正掌握。目前的光伏電池技術(shù)，通常是基于半導(dǎo)體的系統(tǒng)，價(jià)格昂貴，效率不高，并且只能從陽(yáng)光瞬間轉(zhuǎn)換為電能 - 能量輸出不會(huì)在下雨天存儲(chǔ)(盡管這可能會(huì)改變：參見(jiàn)“有沒(méi)有辦法在晚上獲得太陽(yáng)能?”)。但是，模擬植物中發(fā)生的事情的人工光合作用系統(tǒng)或光電化學(xué)電池可能會(huì)產(chǎn)生無(wú)窮無(wú)盡的，相對(duì)便宜的供應(yīng)，以我們生活所需的所有清潔“氣體”和電力 - 并且也是可存儲(chǔ)的形式。

　　在本文中，我們將研究人工光合作用，看看它走了多遠(yuǎn)。我們將找出該系統(tǒng)必須能夠做什么，查看一些當(dāng)前實(shí)現(xiàn)人工光合作用的方法，并了解為什么它不像其他一些能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)那樣容易設(shè)計(jì)。

　　那么，人工光合作用系統(tǒng)必須能夠做什么呢?

　　人工光合作用方法

　　為了重建植物已經(jīng)完善的光合作用，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須能夠做兩件關(guān)鍵的事情(可能在某種充當(dāng)結(jié)構(gòu)“葉子”的納米管內(nèi)部)：收獲陽(yáng)光和分裂水分子。

　　植物使用捕獲陽(yáng)光的葉綠素以及利用陽(yáng)光分解H的蛋白質(zhì)和酶的集合來(lái)完成這些任務(wù)。2O分子轉(zhuǎn)化為氫，電子和氧(質(zhì)子)。然后使用電子和氫來(lái)轉(zhuǎn)化一氧化碳2 變成碳水化合物，氧氣被排出。

　　為了使人工系統(tǒng)滿足人類需求，輸出必須改變。它不是在反應(yīng)結(jié)束時(shí)只釋放氧氣，而是還必須釋放液氫(或者甲醇)。這種氫氣可以直接用作液體燃料或引導(dǎo)到燃料電池中。獲得生產(chǎn)氫氣的過(guò)程不是問(wèn)題，因?yàn)樗呀?jīng)存在于水分子中。捕捉陽(yáng)光不是問(wèn)題——目前的太陽(yáng)能系統(tǒng)就是這樣做的。

　　困難的部分是分裂水分子以獲得促進(jìn)產(chǎn)生氫氣的化學(xué)過(guò)程所需的電子。分解水需要大約 2.5 伏的能量輸入 [來(lái)源： 獵人].這意味著這個(gè)過(guò)程需要一個(gè)催化劑——某種東西來(lái)推動(dòng)整個(gè)事情的發(fā)展。催化劑與太陽(yáng)的光子反應(yīng)引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。

　　在過(guò)去5年或10年中，這一領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。一些比較成功的催化劑包括：

　　錳：錳是植物光合核心中的催化劑。單個(gè)錳原子觸發(fā)利用陽(yáng)光分解水的自然過(guò)程。在人工系統(tǒng)中使用錳是一種 仿生法 ——它直接模仿了在植物中發(fā)現(xiàn)的生物學(xué)。

　　染料敏化二氧化鈦： 二氧化鈦(二氧化鈦)2)是一種穩(wěn)定的金屬，可以作為有效的催化劑。它用于染料敏化太陽(yáng)能電池，也稱為格雷策爾電池，自 1990 年代以來(lái)一直存在。在格雷策爾細(xì)胞中，TiO2 懸浮在一層染料顆粒中，捕獲陽(yáng)光，然后將其暴露在TiO中2 開(kāi)始反應(yīng)。

　　氧化鈷：最近發(fā)現(xiàn)的催化劑之一，納米級(jí)氧化鈷分子(CoO)簇被發(fā)現(xiàn)是人工光合作用系統(tǒng)中穩(wěn)定且高效的觸發(fā)器。氧化鈷也是一種非常豐富的分子——它是目前流行的工業(yè)催化劑。

　　一旦完善，這些系統(tǒng)可能會(huì)改變我們?yōu)槭澜缣峁﹦?dòng)力的方式。

　　人工光合作用應(yīng)用

　　NREL科學(xué)家John Turner展示了光電化學(xué)(PEC)電池利用光源能量從水中產(chǎn)生氫氣的能力。

　　圖片由沃倫·格雷茨提供， 國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室化石燃料供不應(yīng)求，它們正在造成污染和全球變暖。煤炭雖然豐富，但對(duì)人體和環(huán)境都造成了高度污染。風(fēng)力渦輪機(jī)正在損害風(fēng)景如畫的景觀，玉米需要大片農(nóng)田，目前的太陽(yáng)能電池技術(shù)昂貴且效率低下。人工光合作用可以提供一種新的，可能是擺脫我們能源困境的理想方法。

　　首先，它比當(dāng)今太陽(yáng)能電池板中的光伏電池具有優(yōu)勢(shì)。光伏電池中太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電能使太陽(yáng)能成為依賴天氣和時(shí)間的能源，這降低了其效用并增加了價(jià)格。另一方面，人工光合作用可以產(chǎn)生可儲(chǔ)存的燃料。

　　與大多數(shù)產(chǎn)生替代能源的方法不同，人工光合作用有可能產(chǎn)生不止一種類型的燃料。可以調(diào)整光合作用過(guò)程，以便光，一氧化碳之間的反應(yīng)2 和 H2O最終產(chǎn)生液氫。液氫可以像汽油一樣用于氫動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。它也可以被輸送到燃料電池裝置中，這將有效地逆轉(zhuǎn)光合作用過(guò)程，通過(guò)將氫和氧結(jié)合到水中來(lái)產(chǎn)生電力。氫燃料電池可以像我們從電網(wǎng)獲得的東西一樣發(fā)電，所以我們用它來(lái)運(yùn)行我們的空調(diào)和熱水器。

　　大規(guī)模氫能的一個(gè)當(dāng)前問(wèn)題是如何高效和清潔地產(chǎn)生液態(tài)氫的問(wèn)題。人工光合作用可能是一種解決方案。

　　甲醇是另一種可能的輸出。光電化學(xué)電池在光合作用過(guò)程中不會(huì)發(fā)射純氫，而是可以產(chǎn)生甲醇燃料(CH3哦)。甲醇或甲醇通常來(lái)自天然氣中的甲烷，通常被添加到商業(yè)汽油中以使其燃燒更干凈。有些汽車甚至可以單獨(dú)使用甲醇。

　　在不產(chǎn)生任何有害副產(chǎn)品(如溫室氣體)的情況下生產(chǎn)清潔燃料的能力使人工光合作用成為環(huán)境的理想能源。它不需要采礦、種植或鉆探。由于水和二氧化碳目前都不短缺，它也可能是一種無(wú)限的來(lái)源，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看可能比其他能源形式便宜。事實(shí)上，這種類型的光電化學(xué)反應(yīng)甚至可以去除大量的有害CO。2 在生產(chǎn)燃料的過(guò)程中從空氣中。這是一個(gè)雙贏的局面。

　　但我們還沒(méi)有到達(dá)那里。大規(guī)模使用人工光合作用存在一些障礙。

　　創(chuàng)造人工光合作用的挑戰(zhàn)

　　大自然已經(jīng)完善了數(shù)十億年的光合作用過(guò)程。在合成系統(tǒng)中復(fù)制它并不容易。

　　雖然人工光合作用在實(shí)驗(yàn)室中起作用，但它還沒(méi)有準(zhǔn)備好大規(guī)模消費(fèi)。復(fù)制綠色植物中自然發(fā)生的情況并非易事。

　　效率在能源生產(chǎn)中至關(guān)重要。植物花了數(shù)十億年的時(shí)間才開(kāi)發(fā)出對(duì)它們有效工作的光合作用過(guò)程;在合成系統(tǒng)中復(fù)制它需要大量的試驗(yàn)和錯(cuò)誤。

　　在植物中充當(dāng)催化劑的錳在人造裝置中效果不佳，主要是因?yàn)殄i有些不穩(wěn)定。它不會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，也不會(huì)溶于水，這使得基于錳的系統(tǒng)有些低效和不切實(shí)際。另一個(gè)很大的障礙是植物的分子幾何形狀非常復(fù)雜和精確 - 大多數(shù)人造設(shè)置無(wú)法復(fù)制這種程度的復(fù)雜性。

　　穩(wěn)定性是許多潛在光合作用系統(tǒng)中的一個(gè)問(wèn)題。有機(jī)催化劑經(jīng)常降解，或者它們會(huì)引發(fā)額外的反應(yīng)，從而破壞電池的工作。無(wú)機(jī)金屬氧化物催化劑是一種很好的可能性，但它們必須足夠快地工作才能有效地利用涌入系統(tǒng)的光子。這種催化速度很難獲得。而一些具有速度的金屬氧化物在另一個(gè)領(lǐng)域缺乏 - 豐度。

　　在當(dāng)前最先進(jìn)的染料敏化細(xì)胞中，問(wèn)題不在于催化劑;相反，它是從分裂的水分子中吸收質(zhì)子的電解質(zhì)溶液。它是電池的重要組成部分，但它由揮發(fā)性溶劑制成，會(huì)侵蝕系統(tǒng)中的其他成分。

　　過(guò)去幾年的進(jìn)展開(kāi)始解決這些問(wèn)題。氧化鈷是一種穩(wěn)定、快速和豐富的金屬氧化物。染料敏化細(xì)胞的研究人員提出了一種非溶劑型解決方案來(lái)替代腐蝕性物質(zhì)。

　　人工光合作用的研究正在加速發(fā)展，但它不會(huì)很快離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室。這種類型的系統(tǒng)至少需要10年才能成為現(xiàn)實(shí)[來(lái)源： 博伊德].這是一個(gè)非常有希望的估計(jì)。有些人不確定它是否會(huì)發(fā)生。盡管如此，誰(shuí)能抗拒希望人造植物的行為像真實(shí)的東西?