人造光合作用：靠陽(yáng)光、水和二氧化碳，制造清潔能源

“一直以來(lái)，都難以實(shí)現(xiàn)具有高度選擇性的人造光合作用，也就是說(shuō)盡可能將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成你想要的燃料，而不是同時(shí)產(chǎn)生一大堆廢料。”來(lái)自劍橋化學(xué)系的 Qian Wang 博士說(shuō)。

研究人員研發(fā)出了一套設(shè)備，可獨(dú)立運(yùn)行，將陽(yáng)光、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳中性燃料，無(wú)需任何額外組件或者電力。

該設(shè)備由劍橋大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制而成，向人工光合作用的實(shí)現(xiàn)邁出了重要一步：這一過(guò)程模仿植物將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為能量的能力。設(shè)備基于先進(jìn)的“光片”(photosheet)技術(shù)，能夠?qū)㈥?yáng)光、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成氧氣和甲酸(一種可直接使用或者轉(zhuǎn)化為氫的可存儲(chǔ)燃料)。

《自然-能源》(Nature Energy)報(bào)告了這一成果，展示了一種將二氧化碳轉(zhuǎn)化成清潔燃料的新方法。這套無(wú)線設(shè)備的規(guī)模擴(kuò)大后，可用于能源“農(nóng)場(chǎng)”，類(lèi)似于太陽(yáng)能農(nóng)場(chǎng)，使用陽(yáng)光和水產(chǎn)生清潔燃料。

收集太陽(yáng)能將二氧化碳轉(zhuǎn)化成燃料，是減少二氧化碳排放、逐漸放棄化石燃料的有效方法。然而，要生產(chǎn)出不含不必要副產(chǎn)物的清潔燃料仍具挑戰(zhàn)。

“此外，氣體燃料的儲(chǔ)存和副產(chǎn)物的分離相當(dāng)復(fù)雜，我們想要搞清楚，如何能干凈地制造出易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)囊后w燃料?！痹撜撐牡馁Y深作者 Erwin Reisner 教授補(bǔ)充說(shuō)。

2019 年，Reisner 團(tuán)隊(duì)的研究人員研制出一種基于“人造葉片”設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能反應(yīng)器，使用陽(yáng)光、二氧化碳和水生成一種稱(chēng)作合成氣體(syngas)的燃料。而本次新技術(shù)的表現(xiàn)和行為相當(dāng)類(lèi)似于“人造葉片”，但是工作原理不同，產(chǎn)物是甲酸。

而且人造葉片使用的是來(lái)自太陽(yáng)能電池的組件，但新設(shè)備無(wú)需這些組件，只依靠嵌在薄片上的光催化劑，成為所謂的光催化片。這些薄片由半導(dǎo)體粉末制成，容易大量制備，價(jià)格低廉。

除此之外，這一新技術(shù)更穩(wěn)健，產(chǎn)生的清潔燃料更容易儲(chǔ)存，具有大規(guī)模生成燃料產(chǎn)物的潛力。測(cè)試單位的大小為20平方厘米，但研究人員說(shuō)，要將其規(guī)模擴(kuò)大成幾平方米應(yīng)該相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)，甲酸能夠在溶液中積聚，采用化學(xué)手段可轉(zhuǎn)化成不同類(lèi)型的燃料。

“我們驚異于該技術(shù)的高度選擇性，它幾乎不會(huì)產(chǎn)生什么副產(chǎn)物?！盬ang 說(shuō)，“有時(shí)候事情確實(shí)會(huì)和預(yù)期不同，但這次效果確實(shí)更好，實(shí)在罕見(jiàn)。”

二氧化碳轉(zhuǎn)化鈷基催化劑容易實(shí)現(xiàn)，且相對(duì)穩(wěn)定。雖然與人造葉片相比，該技術(shù)規(guī)模更容易擴(kuò)大，但其效能仍需改進(jìn)，然后再考慮投入商業(yè)使用。研究人員正在用不同類(lèi)型的催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以同時(shí)增強(qiáng)穩(wěn)定性和效能。

獲得目前的成果還有賴(lài)于東京大學(xué) Kazunari Domen 教授團(tuán)隊(duì)的合作，他也是該研究的共同作者。目前研究人員正在進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，提升效能。