光合作用：这个星球上生命的基本机制，GCSE 生物学学生的祸害，现在是应对气候变化的潜在方法。科学家们正在努力开发一种人工方法，模仿植物如何利用阳光将二氧化碳和水转化为我们可以用作燃料的东西。如果可行，这对我们来说将是一个双赢的局面：我们不仅将从以这种方式生产的可再生能源中受益，而且还可能成为减少大气中二氧化碳含量的重要途径。
然而，植物需要数十亿年的时间来进行光合作用，并且复制自然界中发生的事情并不总是一件容易的事。目前，人工光合作用的基本步骤有效，但效率不高。好消息是该领域的研究正在加快步伐，世界各地的团体都在采取措施来利用这一整体过程。
两步光合作用
光合作用不仅仅是捕捉阳光。在温暖的阳光下沐浴的蜥蜴可以做到这一点。植物中的光合作用是一种捕获和储存这种能量（“光”位）并将其转化为碳水化合物（“合成”位）的方式。植物使用一系列由阳光驱动的蛋白质和酶来释放电子，这些电子又用于将二氧化碳转化为复杂的碳水化合物。基本上，人工光合作用遵循相同的步骤。
“在自然光合作用中，它是自然碳循环的一部分，我们让光、二氧化碳和水进入植物，植物制造糖，”Phil De Luna 解释说，他是电气和计算机工程系的博士生。多伦多大学。 “在人工光合作用中，我们使用无机设备和材料。实际的太阳能收集部分是由太阳能电池完成的，而能量转换部分是通过电化学[在存在]催化剂的情况下进行的。”
这个过程真正吸引人的是生产用于长期储能的燃料的能力。即使采用新兴的电池技术，这也比当前的可再生能源所能做的要多得多。例如，如果太阳没有出来或者不是刮风的日子，太阳能电池板和风电场就会停止生产。 “对于长时间的季节性储存和复杂燃料储存，我们需要一个更好的解决方案，”De Luna 说。 “电池非常适合日常使用，适用于手机甚至汽车，但我们永远不会用电池运行 [波音] 747。”
需要解决的挑战
说到制造太阳能电池——人工光合作用过程的第一步——我们已经拥有了技术：太阳能系统。然而，当前的光伏面板，通常是基于半导体的系统，与自然相比相对昂贵且效率低下。需要一项新技术；一种浪费少得多的能量。
来自亚特兰大佐治亚州立大学的 Gary Hastings 和他的团队在研究植物的原始过程时可能偶然发现了一个起点。在光合作用中，关键点涉及在细胞中将电子移动一定距离。简单来说，正是这种由阳光引起的运动后来转化为能量。黑斯廷斯表明，这个过程在本质上是非常有效的，因为这些电子无法回到它们原来的位置：“如果电子回到它原来的位置，那么太阳能就会丢失。”虽然这种可能性在植物中很少见，但它在太阳能电池板中经常发生，这解释了为什么它们的效率低于真实的东西。
黑斯廷斯认为，这项“研究可能会推进与化学或燃料生产相关的太阳能电池技术”，但他很快指出，这只是目前的一个想法，这种进步不太可能很快实现。 “就基于这些想法设计的全人造太阳能电池技术的制造而言，我相信该技术在未来会更远，即使是原型，也可能不会在未来五年内完成。”
研究人员认为我们即将解决的一个问题涉及该过程的第二步：将二氧化碳转化为燃料。由于这种分子非常稳定并且需要大量的能量才能将其破坏，因此人工系统使用催化剂来降低所需的能量并帮助加速反应。然而，这种方法带来了它自己的一系列问题。在过去的十年里，人们进行了很多尝试，用锰、钛和钴制成的催化剂，但长期使用证明本身是一个问题。这个理论看起来不错，但它们要么在几个小时后停止工作，变得不稳定、缓慢或引发其他可能损坏细胞的化学反应。
但加拿大和中国研究人员之间的合作似乎中了大奖。他们找到了一种将镍、铁、钴和磷结合起来以在中性 pH 值下工作的方法，这使得系统的运行变得更加容易。 “由于我们的催化剂可以在中性 pH 值电解质中很好地工作，这是 CO2 还原所必需的，我们可以在 [a] 无膜系统中运行 CO2 还原电解，因此可以降低电压”，来自于的 Bo Zhang 说。复旦大学高分子科学系。凭借令人印象深刻的 64% 电-化学能量转换，该团队现在是人工光合作用系统最高效率的记录保持者。
“我们现在最大的问题是规模”
由于他们的努力，该团队在 NRG COSIA Carbon XPRIZE 中进入了半决赛，这将为他们的研究赢得 2000 万美元。其目标是“开发将发电厂和工业设施排放的二氧化碳转化为有价值的产品的突破性技术”，凭借改进的人工光合作用系统，他们有很大的机会。
下一个挑战是扩大规模。 “我们现在最大的问题是规模。当我们扩大规模时，我们最终会失去效率，”也参与了张的研究的 De Luna 说。幸运的是，研究人员还没有穷尽他们的改进清单，现在正试图通过不同的成分和不同的配置来提高催化剂的效率。
赢在两方面
从短期和长期来看，肯定还有改进的空间，但许多人认为人工光合作用有潜力成为未来清洁和可持续技术的重要工具。
“这非常令人兴奋，因为该领域发展如此之快。在商业化方面，我们正处于转折点，”De Luna 说，并补充说，它是否有效“将取决于很多因素，其中包括公共政策和行业对可再生能源技术的接受程度。”
那么，让科学正确只是第一步。在 Hastings 和 Zhang 等人的研究之后，将出现将人工光合作用纳入我们围绕可再生能源的全球战略的关键举措。赌注很高。如果它通过，我们将在两个方面取得胜利——不仅生产燃料和化学产品，而且在这个过程中减少我们的碳足迹。