胜过天然？实验室光合作用预示着新的燃料革命

这些令人鼓舞的发现来自 Amanda Morris 教授。她是弗吉尼亚理工大学 (Virginia Tech) 化学系副主任、化学教授兼 Patricia Caldwell 教员学者，也是美国化学会 (ACS) 可持续能源领域的专家。

她最近做客 H.E.L 的 Modern Chemistry 播客，向我们介绍了她引人入胜的研究工作。她的课题组致力于探索利用可持续的太阳能来获取日常生活中使用的替代大宗化学品，并将太阳能转化为储存的电能。他们所研究的人工光合作用领域，已超越现有的碳基太阳能燃料。其潜力在于制造含碳聚合物，这些聚合物可广泛用于服装、手机技术等各类产品，而所有这些都来自太阳的能量。

这一复杂过程背后的原理其实很简单：人工光合作用是一种人为设计的过程，通过消耗 CO₂、水和阳光来产生能量。它模拟了帮助植物生长的自然过程，但其产物是清洁、可用且充足的能量。这是一项令人振奋的进展，尤其是考虑到 CO₂ 是一种主要的温室气体，并由此带来种种问题。

正如 Morris 教授所解释的：“我们应当以更广阔的视角看待人工光合作用，而不仅仅将其视为人类的燃料生产。自然光合作用利用二氧化碳和水，将其转化为糖，为植物全天提供能量。我们所做的是重新构想这一系统，用于生产其他燃料。我们的工作主要聚焦于其中的基础研究，也就是那些聚合物前体。”

但为什么需要人工光合作用，而不直接利用太阳能呢？据计算，仅一个半小时内照射到地球表面的太阳能，就足以为整个人类文明提供一整年的能源。这听起来是个好主意，但一如既往，事情从来没有那么简单。真正的难点在于如何利用太阳能，而这正是电池和人工光合作用发挥作用的地方。

天然与人工：两者的差异

人工光合作用从其天然“近亲”中汲取了生物灵感，但两个系统之间存在一系列差异。效率是其中的一个关键因素，而在这方面，自然界的表现要差得多。植物中嵌入膜内的蛋白质各司其职，但效率仅约为 3%。例如，自然光合作用中执行水氧化的化学物质很快就会失效。这一过程速度很快，但转换数非常低。幸运的是，自然界可以依靠蛋白质合成迅速恢复这一过程，弥补这一不足。但 3% 的效率显然无法满足工业要求，因此不可能将自然光合作用直接从植物中移植到实验室中。

然而，自然界的太阳能转换模式具有更强的商业潜力。自然界花费了漫长的岁月，构建出由相互连接的同心叶绿素环组成的高效系统。这些叶绿素环间距完美，并以理想的角度排列，使捕光分子能够有效利用太阳光子。为了通过人工光合作用同样将太阳能转化为可用的能量或燃料，Morris 教授专注于多孔材料，特别是金属有机框架 (MOF)。这些与有机配体相连的化合物离子结构或簇合物与太阳光子相互作用，产生可进行还原和氧化的电子和空穴。将人造材料与蛋白质并排比较，两者看起来毫无相似之处；但理解自然界为何如此运作，再以合成方式加以重现，这就是生物灵感。

Morris 教授解释说：“这些有机框架在三维空间中高效取向，正是它们利用了太阳光子。根据其聚合物结构，我们可以改变发色团 (chloroforms) 之间的相对取向、间距及其形态，以充分利用光。在这方面，我们正在高度模仿自然。”

甚至自然界的弱点也正在成为机遇。在过去 10 年里，认识上的重大进展揭示了自然光合作用中催化剂在氧化水时为何会分解，而这正是其效率低下的原因之一。研究发现，水氧化是通过一个由氧桥连的锰钙簇实现的。这些簇看起来像金属氧化物或微小的金属氧簇，而正是这些钴氧簇（而非锰）能够如此迅速地氧化水。这一认识帮助 Morris 教授等课题组开发出能够执行相同任务的人工化合物。

人工光合作用：实际应用

但显而易见的问题，也是人工光合作用的缺陷在于：只有在阳光照射时才能生产燃料，不是吗？再加上地理位置和季节等因素，以及阴天会降低产量等复杂情况，这使其在经济上远不可行。

幸运的是，该团队使用了配有滤光片的太阳光模拟灯，能够逼真地模拟太阳光谱。这些设备完整还原了光线所穿过的大气条件，并能有效调整滤光片，模拟出源源不断的阳光。在工业规模上，人工光合作用系统将与电池储能相结合，以平衡电力需求与发电量。

那么，在对人工光合作用进行全面检验时，它会如何对 CO₂ 水平产生积极影响？从地球大气中移除多余的碳将是巨大的一步，但仅靠这一点还不够。一个利用 CO₂ 满足地球全部能源需求的闭环系统，只能移除人类据信已排放到大气中的多余二氧化碳的约 17%。Morris 教授举了一个典型的内燃机的例子：如果通过人工光合作用来运行它，就会形成一个闭环循环——利用阳光还原 CO₂；当燃料被氧化释放能量后，生成的 CO₂ 又可以再次被阳光还原，理论上可以无限循环。

太阳能的未来

Morris 教授预计，在未来 20 年内，太阳能生产将与工业更加紧密地结合在一起。她预见，未来将有越来越多的新设施在建设时就考虑到太阳能和电池。First Solar 公司赢得在亚利桑那州建设太阳能电池电站项目的竞标已有五年之久，该项目将太阳能与电池储能相结合，并证明其成本远低于新建天然气电厂。

在她看来，这将是向前迈出的重要一步，使我们摆脱在家庭层面收集太阳能时长期存在的难题。将家庭剩余的太阳能回馈至国家电网一直非常困难。现有基础设施并非为此而设计，而让电网超负荷运行来实现这一目标会导致轮流停电及其他供电中断。相反，如果由工业界建设配备电池的太阳能电站，就可以在需求低时储存多余能量，并在需求增加时将其输送回千家万户。

最后，让我们以 Morris 教授的话作结：“人工光合作用必须在未来经济中发挥作用，原因显而易见。这是一个非常复杂的过程，但我非常希望在 20 年后，我的工作能够启发人们制造出一种能够实现人工光合作用的装置。”

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