“人造树叶”将二氧化碳转化为液体燃料

肖优明

近年来，世界面临着能源紧缺和环境污染两大难题。人类工业文明对煤炭和石油等化石能源的需求日益增大，致使这些资源日渐枯竭。与此同时，化石能源的使用引起气候变暖和环境污染，严重威胁人们的生存。因此，寻求高效清洁的可再生能源成为世界的共同课题。

转化率达10.6%

光合作用的核心是用光驱动将水分子裂解为氧气、氢离子和电子，向地球上所有复杂的生命提供能量和氧气。依靠这种关键的反应，绿色植物实现了地球上最成功的光转化机制，原初光能转换过程的量子效率几乎是100%。

为此，研究人员仿效大自然光合作用这种标准而高效的光转化作用模式，开发出人工光合作用技术。利用纳米大小的光感应材料将光能转换成电能，由此产生氧化还原酶反应。

在美国能源部的资助下，美国哈佛大学能源科学教授丹尼尔·诺塞拉博士及其团队2015年研制出新一代“人造树叶”。这是一种能将太阳光、二氧化碳和水转化为液体燃料（尤其是燃料酒精）的新型系统，研究结果2016年6月发表于知名学术期刊《科学》。“人造树叶”既可以使用纯净的二氧化碳气体，也能够直接利用空气中的二氧化碳。意味着该系统为“碳中性”，不会向大气中排放温室气体。诺塞拉被誉为“人工光合作用先驱”。他在芝加哥能源政策机构的演讲中表示：“我们通过分离水中的氢气以及细菌呼吸的二氧化碳，获取到异丙醇、异丁醇和异戊醇，这些是可以直接燃烧的酒精燃料。”

人工光合作用技术是一种利用光能生成精密化学物质的技术，有望成为绿色生物工程研发的开端，凭借该技术能够利用太阳能生产具有高附加值的各种精密产品。诺塞拉团队使用自然界绿色植物相同的原料（太阳能、水和二氧化碳），生产出高能量密度液体燃料。设计的系统使用两种催化剂将水分解为氧气和氢气，然后将氢气连同二氧化碳一同输入菌室。菌室中经过基因工程改造的特殊细菌（以下简称“基改细菌”）会把二氧化碳和氢气转化为液体燃料。

植物通过光合作用可产生作为燃料的生物质，其转换效率约为 1%，并将所有产生能源用来维系生命。诺塞拉博士称，在使用纯二氧化碳的条件下，“人工树叶”的转化效率可达到10.6%，即能够捕捉十分之一的太阳能并将其转化为燃料，远高于自然界植物的光合作用效率。如果让细菌自己从空气中捕捉二氧化碳的话，系统转化效率为3%～4%，仍远高于自然光合作用。对酒精燃料的转换率为 6.4%，其中酒精可直接燃烧，生物质则可继续加工为燃料。“‘基改细菌以氢气为食，呼吸二氧化碳，并不断繁殖，最终会出现指数成长曲线。”他强调道，“一升活化的‘基改細菌，一天可转换 500 升的二氧化碳，意即细菌每产生一度（千瓦小时）电，会移除大气中 237升的二氧化碳。”诺塞拉博士的人工光合作用系统的创新性不仅仅在于高转化效率，更体现在对无机化学和生物学的融合。

第一代变“发电站”

研究表明，太阳光照射地面1小时就可产生满足所有人类1年所需的能量。面对着日益紧迫的新能源开发需求和现成的太阳能无法有效利用的困境和矛盾，如何才能像我们身边的植物那样利用太阳光高效地将水分解，一度困扰着各国的科学家。诺塞拉博士表示，自己并不是第一个提出这一概念的人，新一代“人造树叶”并不是史无前例。美国化学学会作为世界上最大的科技协会之一，不止一次发布过关于这方面的成果。

早在20世纪70年代初，科学家就开始尝试模拟光合作用储存太阳能，其中电解水这最为关键一步已经实现，但是在化学条件下离不开高温及强碱等苛刻条件。反应中用铂等贵重金属作为催化剂，需要足够高的能量，这一能量几乎能够摧毁任何生物分子。因此得到能源的成本是天然气的10倍，汽油的3倍。

1972年，日本学者藤岛昭和他的导师共同在《科学》杂志上发表了一篇论文，这篇论文后来被奉为光催化概念的经典之作。由于这一化学过程模拟了光合作用，在自然界中承载这一作用的“人造树叶”从此进入科学家的视野。

1998年，美国科学家约翰·特纳博士研制出了世界上第一片“人造树叶”，用砷化镓制成的叶子来分解水，通过释放的氢和氧产生电流。但砷化镓素有“半导体贵族”之称，十分昂贵，不便普及，而且使用寿命也只有一天左右。

诺塞拉博士一直致力于这项在美国被称为“人工模拟光合作用”的研究，2007年因为提出更好地理解了光合作用而受到广泛关注。除了大学教授的身份外，他还是一家太阳能源公司的创始人。美国能源部下属的能源研究计划局2009年10月曾拨款2370万美元（大约合1.59亿人民币元）鼓励新公司和大学研究太阳光合能。诺塞拉博士创建的这家公司就是5家接受政府资助开发的公司之一。

诺塞拉博士和他的团队不负众望，经过艰苦攻关，终于在这一领域取得了重大突破。2011年3月27日，他在第241届美国化学学会上公布了自己团队研发的第一代“人造树叶”，可以将每家每户都变成一个个独立的“发电站”。它看上去恐怕是世界上最为奇怪的树叶，不以任何自然界中的树叶为原型，用硅原料制造，内含电子和催化剂。没有普通树叶常见的颜色和心形、扇形或菱形，像一块亮晶晶的遮光板。虽然如同一张扑克牌那样单薄，却能像树叶那样进行光合作用。

诺塞拉博士现场进行演示。在众人的瞩目下将一片人造叶子放入3.7升水中，在阳光下能看到氧气和氢气在冒泡。将氢气和氧气存入电池当中，就转化为电能，可以满足一个发展中国家家庭一天的用电需求。水不需要很纯净，他用校园附近的查尔斯河水实验，效果并没有受到影响。

第一代“人造树叶”完成了人工模拟光合作用研究，通过光合作用可将水分离为氢气和氧气，在当时引起轰动。这种和晶片一样薄的元件造价便宜，也很好用，吸引了很多关注。但在诺塞拉博士看来，由于产生的是氢气，不能不说是一大缺陷。氢气是一种干净燃料，不过目前世界上适用氢气的能源基础建设尚未普及。尽管日本丰田和其他汽车厂家正在设计只排放水蒸汽的氢燃料汽车，然而添加燃料却是个问题，多数加油站只提供液态燃料。

第二代成“里程碑”

正因为如此，诺塞拉博士和他的团队将新一代“人造树叶”的研究重点转向“基改细菌”，因为这种特殊的细菌可以将“人造树叶”产生的氢气和二氧化碳转换为细胞内储存和传递化学能的 ATP（三磷酸腺苷），并将 ATP 转换为酒精燃料后排出体外。

在自然的光合作用下，阳光碰到水和二氧化碳会产生生物量。但是要将生物量转换成燃料，通常还会需要一个步骤，例如分解玉米制造乙醇。但诺塞拉博士开发的这种“基改细菌”能够跳过产生生物量的步骤，直接制造出液态燃料。他们用“人工树叶”将水分解成氧和氢，“基改细菌”吸收氢，与二氧化碳结合产生异丙醇（一种类似乙醇的酒精燃料）等醇基燃料。这个系统很像一个藻类农场，不过这种细菌不像藻类需要持续的光照和维护。

诺塞拉博士还解决了一个长期困扰细菌和太阳能研究人员的问题，就是细菌会死亡。如果要维持细菌的生命，需要使用高电压电流，那就很不合算了。他们发现，杀死细菌的“凶手”是一种被称为活性含氧物的分子，令人意外的同时又是活性含氧物的来源。水被分解后，产生活性含氧物的是水分解出的氢，而不是氧。科学家开始很惊讶，还为此困惑了一阵子。确定问题后，哈佛大学的研究人员就能更有效率地制造燃料了。

相对于现有昂贵并且条件苛刻的水解反应，新一代“人造树叶”的人工光合作用具有多种优势，例如整个过程在酸碱值（pH）是中性环境和室温条件下就可以很容易地实现，使用的材料也都廉价易得，更适宜工业化生产。科学界度评价新一代“人造树叶”是朝着清洁无碳能源方向发展的“里程碑”，提供了减少人类对化石燃料的依赖以及应对全球气候变化的手段，打开了能源开发新技术的大门，将对人类未来的繁荣昌盛产生巨大的影响。

“这是我们期待了多年的愿望。太阳能一直以来只能作为有限的能源供人类使用，工业化和产业化遥不可及。在不久的将来，我们定能把太阳能作为无限量能源的来源。”诺塞拉博士展望道，“新一代‘人造树叶将在工业技術中引发一场能源革命，如果进展顺利的话，10年内家庭用户就能够通过这一装置享受日光的能量。”

虽然新一代“人造树叶”距离商业化可能还需要几年时间，但将太阳能转化为液体燃料的前景已经变得十分明朗。在把它当一个产业经营之前，还有更多的事情需要继续深入研究，以进一步提高效率。“人造树叶”系统必须能从大气层中取得二氧化碳才能永续发展，而这将会是一个能源密集的过程。

编辑：成韵 chengyunpipi@126.com