人工光合作用有希望成功

這是化學(xué)面臨的最偉大的挑戰(zhàn)——發(fā)明一組可以把水和陽光全部有效地轉(zhuǎn)化成廉價清潔的能源的系統(tǒng)。

當我們看到一棵沐浴在陽光里的植物時，羨慕之情不覺油然而生。它們生長在那里，日復(fù)一日地從陽光里汲取大量的養(yǎng)分；而排出的，除了我們呼吸所需的氧氣之外，別無其他討厭的東西。相比較而言，人類對燃料生產(chǎn)的開發(fā)則以破壞為代價，十分混亂。對全球來說，我們從地下開采煤、石油、天然氣燃燒時所產(chǎn)生的二氧化碳，遠遠大于它能夠被消耗的量。

作為真正的綠色衛(wèi)士，我們在模仿植物的行為方面可以做些什么？位于巴薩迪那（Pasadena）的加州理工學(xué)院的一位化學(xué)家Nate Lewis說：“在1個小時里從太陽輻射到地球上的能量要比人類1整年所消耗的能量還要多！”我們知道如何把太陽能轉(zhuǎn)化為電能——這就是光電池要做的事。但是在我們需要的地方和需要的時候，并不總是陽光普照。通過光合作用，植物能夠把陽光轉(zhuǎn)化成養(yǎng)分儲藏起來，放在以后再用。倘若我們?nèi)祟愐材苓@樣做，把太陽能節(jié)省下來供雨天使用，或者直接壓入燃料儲藏罐，那么讓我們最為困惑的能源問題大部分也可以迎刃而解了。實現(xiàn)人工光合作用的挑戰(zhàn)已經(jīng)確定——然而它將被證明是最偉大的挑戰(zhàn)之一。

當然，沒有人會說光合作用是件容易的事。植物為了進化到現(xiàn)在這樣的程度也花了幾百萬年的時間，而且也沒有達到盡善盡美的程度。光合作用的全部內(nèi)容就是：利用太陽的能量把水分解成它的組成成分——氫和氧，再從化學(xué)上把它們重新組合成具有更大能量的分子——在植物中借助大氣里的二氧化碳合成了碳水化合物。但是，一般的農(nóng)作物在碳水化合物里只儲藏了有效太陽能的很小一部分。倘若太陽的照耀過于強烈，植物的組織機構(gòu)難以承受時便會在差不多半個小時之后中止工作。幫助讓這個過程快速實施的復(fù)雜的天然催化劑也必須保持不斷更新。

從我們的目標要求來看，碳水化合物并不是最好的營養(yǎng)儲存。我們需要更純凈的，燃燒起來更清潔的具有高能量密度的某種物質(zhì)。顯然氫是一種明智的選擇。一大袋氫氣，每千克儲藏的能量為傳統(tǒng)汽油的2.5倍。把氫充入一種燃料電池，在需要的時候你可以通過讓氫與氧發(fā)生化合反應(yīng)來發(fā)電，并生產(chǎn)出清潔的可飲用水作為副產(chǎn)品。所有這一切意味著人工光合作用并非只是仿效（天然）光合作用，而是要做得比它們更好。“這聽起來簡單，只是來分解水，”位于西雅圖（Seattle）的華盛頓大學(xué)的化學(xué)家Daniel Gamelin說。但在具體做法的細節(jié)上麻煩不少。首先，你一定要建造一種類似“天線”，接到一個普通的光電池上，用來吸收陽光，并用這些能量來放出電子。然后，化學(xué)方法介入了：這些電子在催化劑的引導(dǎo)下，用一種復(fù)雜激烈的方式與合適的分子發(fā)生反應(yīng)，生成我們所需的燃料。

1998年John Turner與他的合作伙伴Oscar Khaselev一起在美國的科羅拉多州（Colorado）的美國國家可再生能源實驗室工作時，對這項工作設(shè)立了標準。“一天，我在走廊里看到一張關(guān)于人工光合作用的招聘廣告，——我也許可以幫上忙。”他說。經(jīng)過一年的擺弄零件，其中包括從美國國家航空航天局（NASA）的火星漫游者探測器上取下來的太陽能電池板，此后他們有了自己的設(shè)備：一個幾平方毫米大小的半導(dǎo)體薄片，該薄片插入盛有稀釋的蓄電池酸液的燒杯里，并用鉑來催化。在陽光下，氫氣的氣泡從薄片的表面歡快地冒出來，攜帶了入射太陽能量的12%。然而，這里有一點困難，被釋放出的氫氣氣泡與氧氣相遇，是一種有潛在爆炸危險的混合物。該裝置在工作了20小時之后，由于它的部件被氧化和腐蝕掉，便會自動停止；而另一種更為溫和的系統(tǒng)里面加的是水而不是蓄電池液。用太陽能制氫可不便宜，每平方厘米芯片要1或2美元。Turner估計，約10倍的昂貴成本導(dǎo)致目前不能實現(xiàn)經(jīng)濟實惠制氫的目標 。類似的問題至今存在于所有的人工光合作用系統(tǒng)。Gamelin說：“你可以使用有三個特點的系統(tǒng)，該系統(tǒng)一是有效，二是便宜，三是結(jié)實。”Lewis說：“立即取得上述三項特點的系統(tǒng)是個問題。任取其中的兩項，我可以做到。”

追加新資金的目標就是為了獲得那第三個特點。2010年Lewis簽約領(lǐng)導(dǎo)位于加州的一個新的人工光合作用聯(lián)合中心，并獲能源部1.2 2億美元的基金資助。同年，Sun Catalytix——一個源于麻省理工學(xué)院致力于人工光合作用研究的化學(xué)家Dan Nocera的工作的公司——募集到950萬美元，投資者包括印度企業(yè)集團塔塔（The Indian Conglomerate Tata）。其他研究團隊，包括Turne和Gamelin的團隊，也參與了這個研究項目。