人工光合作用與綠色能源

近些年，環境污染與能源枯竭成為全世界的頭等難題，一方面人類工業文明對煤炭、石油等化石能源的需求日益增大，導致這些資源日漸枯竭；另一方面，化石能源的使用還會導致氣候變暖和環境污染，已嚴重威脅人們的生存。這兩方面彼此關聯，相輔相成，只要解決其中一個，另一個也就迎刃而解。尋求高效清潔的可再生能源成為世界科學家的共同課題，而其中太陽能又以其長壽、無限、大功率、無公害、可現場獲得等優點而倍受青睞。

目前我們所使用的化石燃料幾乎都是遠古的植物以還原碳元素的形式固定下來的，因為有了植物這個載體，在燃燒時勢必會產生廢氣、廢渣等大量有毒物質以及隨之而來的溫室效應、臭氧層破壞等。另外，人類對太陽能的利用率很低，即使是轉化效率較高的硅太陽電池也由于其獲得電能的價格遠遠高于常規方法而不能大規模市場化。大家也許不知道，只要陽光照射地面1小時，就可產生滿足所有人類1年所需的能量。一方面是日益緊迫的新能源開發需求；另一方面是現成的太陽能無法有效利用。這種種困境和矛盾促使科學家尋找更加可行的方法利用太陽能。其實，有一種方法就在我們身邊，天天都在進行，大自然早就給我們做出了標準而高效的光轉化作用模式，那就是——光合作用。

光合作用的奧秘

光合作用廣泛存在于自然界，以綠色植物、海藻和藍細菌等為依托，借助太陽光，通過葉綠體收集太陽光能，將二氧化碳和水轉化成富有能量的有機化合物，并釋放出氧氣。其中最為關鍵的一步是由光驅動將水分子裂解為氧氣、氫離子和電子的反應，這一反應向地球上所有復雜的生命提供能量和氧氣，可以說是光合作用的核心。綠色植物依靠這一反應實現了地球上最成功的光轉化機制——原初光能轉換過程的量子效率幾乎是100％。

然而，物種進化的偉大成就也成為了科學家幾乎不可逾越的屏障。早在上世紀70年代初，科學家就開始嘗試模擬光合作用儲存太陽能，其中最為關鍵的那一步電解水，其實也早已能夠實現，但卻是在化學條件下，需要高溫及強堿的苛刻條件，反應中使用的催化劑也是鉑等貴重金屬，還要給予足夠高的能量，這一能量幾乎能夠摧毀任何生物分子。而且，得到能源的成本是天然氣的10倍，汽油的3倍。反觀我們身邊的那些植物，它們在25億年前就找到了利用太陽光高效分解水的方法，每一天都在悠閑自得地完成這一看起來不可能完成的任務，而這其中的奧秘一度困擾著各國的科學家。人工光合作用

比起植物，人工電解水的核心問題就在于缺少像葉綠體那樣有效地電解水的媒介。最近，一些科學家在這一領域取得了重要的突破。

美國麻省理工學院化學系的科學家諾塞拉和卡南成功完成了人工模擬光合作用研究，其最新研究結果已發表于著名的《科學》雜志。他們的突破之處在于將銦-錫氧化物做成電極，放置于鈷離子和磷酸鉀的水溶液中。通俗地說，就是以鈷和磷為原料制造出了可在室溫下促成水分解的催化劑。

在這項研究中，實驗人員首先利用放置在水中的鈷金屬、磷以及銦-錫氧化物做成的電極建立了新型的催化裝置，依靠外來能源(比如太陽光能、風能等)產生的電流，流經電極以及鈷和磷酸構成的催化劑，利用鈷和磷的催化作用，使水生產出氫氣和氧氣，并在兩極收集。這一過程與光合作用非常相似，特別是利用太陽能作為電能的產生來源這一點。氫氣和氧氣可以直接用來燃燒供能，無污染。而且，氫氣和氧氣組合產生的能量可以貯存在質子交換膜燃料電池中，實現白天和晚上不間斷地供電。

相對于現有的昂貴并且條件苛刻的水解反應，新的人工光合作用的整個過程在pH值是中性的環境和室溫條件下就可以很容易地實現，使用的材料也都廉價易得，更適宜工業化生產。因此，不論是研究者還是同領域的專家都對這一結果抱以很高的期望與贊賞，麻省理工學院的這兩位科學家認為：

“這是我們期待了多年的愿望。一直以來，太陽能只能作為有限的能源供人類使用，工業化和產業化遙不可及。在不久的將來，我們把太陽能作為無限量能源的來源，就能實現了。”而倫敦皇家學院的一位生物學教授作為光合作用研究領域的領軍人物，也認為“這是一項重大的發現，它將對人類未來的繁榮昌盛起到巨大的影響。這項發現的重要性是不容忽視的。因為它打開了能源開發新技術的大門，從而提供減少人類對化石燃料的依賴以及應對全球氣候變化的手段。這項發現是朝著清潔、無碳能源方向發展的里程碑。”

雖然只是一個開端，還有更多的事情需要繼續深入研究，但這一研究意義非凡，很可能在工業技術中引發一場能源革命。如果研究進行得順利，10年內，家庭用戶就能夠通過這一裝置享受日光的能量。

人工葉計劃

與這個研究相似，英國在太陽能領域正式啟動了“人工葉”項目的研究。顧名思義，所謂“人工葉”就是模擬天然綠葉的光合作用，創造出一個與之相似的人工系統，產生清潔燃料氫和甲醇，作為燃料為汽車等工業提供能量。

項目研究人員希望通過此項研究，可以使人工葉像植物一樣，在常規的條件下，就能夠從水中分離出氫氣，從而徹底告別以往那些昂貴的操作手段并且沒有繁雜工藝的要求。這個操作如果真的能夠實現，那將是未來最可行的方案之一。人工葉作為一種原料，由它所獲得的氫氣，既可用于制造燃料電池，成為新一代無污染的高能燃料，又可以結合二氧化碳產生甲醇，逐漸減少人們對石油的依賴與使用。因此，氫氣高效率、低污染、可流動等特點都深深吸引著科研人員尋找有效的電解水的方式。

人工葉的項目和麻省理工學院的模擬人工光合作用研究都是致力于解決將水轉化為有機物并釋放氫氣和氧氣的這一過程，建立一種像自然界綠葉一樣的人工葉，甚至比它更優化的裝置，成為高效的太陽能轉化設備。但是，研究的過程是非常艱辛的，而且也有非常大的挑戰性。在這個過程中研究人員做過多種試驗，比如他們曾嘗試以其他原料作為催化劑，雖然也能催化水解反應，但效果卻并不像起初期望的那樣，只有通過多次實驗，向其中添加其他物質，才能夠期望催化效率能夠提高。

人工葉項目研究的重點之一就是探求哪些蛋白質參與推動了光合作用——目前已知有兩組參與了光合作用，分別被稱為光合系統Ⅰ和光合系統Ⅱ，后者包含著使水分解的結構，科學家們希望以此為研究的突破點，他們采用一種被稱為X光結晶工藝的光分散技術來分析光合系統Ⅱ在1／10¹⁰米層次上的組織結構，并最終觀察到了微觀清晰的結構，這一發現對掌握水的分解原理有非常大的幫助。另外，已經有科研小組嘗試通過基因工程的手段來合成類似的自組裝蛋白。現在這項研究遭遇的更大挑戰是設計出一個完善的人工系統，甚至是借此找到辦法將光合作用擴大到工業生產的規模。

地球每年經光合作用產生的物質有1730億～2200億噸，其中蘊含的能量相當于全世界能源消耗總量的10～20倍，但目前的利用率不到3％。麻省理工學院的一位化學家計算，倘若人工葉目標得以實現，一片人工葉只需分解數公升水，便可滿足一戶家庭一天的能量所需。人工葉計劃適合在日照充分并且無人居住的沙漠地區大規模地推廣，再通過光纜等設備輸送到其他地方，這樣就完全避免了占據耕地或與人搶地的矛盾，更具有實際的意義。

展望

人工模擬光合作用是當前面對世界資源消耗、環境污染等難題所提出的一個極具吸引力的解決方案。

放眼全球，還有很多國家都投入大量的人力、財力準備積極攻克這一難題，如美國正準備批準一項研究，經費約為3500萬美元；荷蘭方面的此類研究也高達4000萬荷蘭盾。都是為了鼓勵科研人員加大對太陽能利用的投入和熱情。

倘若人工模擬光合作用真正得以實現，地球上13.6億立方千米的水資源將轉變成一個用之不竭的能源寶庫，只需要利用其中的一小部分，便能夠滿足全球對新型環保能源的迫切需求。

[責任編輯] 趙檸