“人造樹葉”將二氧化碳轉化為液體燃料

肖優明

近年來，世界面臨著能源緊缺和環境污染兩大難題。人類工業文明對煤炭和石油等化石能源的需求日益增大，致使這些資源日漸枯竭。與此同時，化石能源的使用引起氣候變暖和環境污染，嚴重威脅人們的生存。因此，尋求高效清潔的可再生能源成為世界的共同課題。

轉化率達10.6%

光合作用的核心是用光驅動將水分子裂解為氧氣、氫離子和電子，向地球上所有復雜的生命提供能量和氧氣。依靠這種關鍵的反應，綠色植物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%。

為此，研究人員仿效大自然光合作用這種標準而高效的光轉化作用模式，開發出人工光合作用技術。利用納米大小的光感應材料將光能轉換成電能，由此產生氧化還原酶反應。

在美國能源部的資助下，美國哈佛大學能源科學教授丹尼爾·諾塞拉博士及其團隊2015年研制出新一代“人造樹葉”。這是一種能將太陽光、二氧化碳和水轉化為液體燃料（尤其是燃料酒精）的新型系統，研究結果2016年6月發表于知名學術期刊《科學》。“人造樹葉”既可以使用純凈的二氧化碳氣體，也能夠直接利用空氣中的二氧化碳。意味著該系統為“碳中性”，不會向大氣中排放溫室氣體。諾塞拉被譽為“人工光合作用先驅”。他在芝加哥能源政策機構的演講中表示：“我們通過分離水中的氫氣以及細菌呼吸的二氧化碳，獲取到異丙醇、異丁醇和異戊醇，這些是可以直接燃燒的酒精燃料。”

人工光合作用技術是一種利用光能生成精密化學物質的技術，有望成為綠色生物工程研發的開端，憑借該技術能夠利用太陽能生產具有高附加值的各種精密產品。諾塞拉團隊使用自然界綠色植物相同的原料（太陽能、水和二氧化碳），生產出高能量密度液體燃料。設計的系統使用兩種催化劑將水分解為氧氣和氫氣，然后將氫氣連同二氧化碳一同輸入菌室。菌室中經過基因工程改造的特殊細菌（以下簡稱“基改細菌”）會把二氧化碳和氫氣轉化為液體燃料。

植物通過光合作用可產生作為燃料的生物質，其轉換效率約為 1%，并將所有產生能源用來維系生命。諾塞拉博士稱，在使用純二氧化碳的條件下，“人工樹葉”的轉化效率可達到10.6%，即能夠捕捉十分之一的太陽能并將其轉化為燃料，遠高于自然界植物的光合作用效率。如果讓細菌自己從空氣中捕捉二氧化碳的話，系統轉化效率為3%～4%，仍遠高于自然光合作用。對酒精燃料的轉換率為 6.4%，其中酒精可直接燃燒，生物質則可繼續加工為燃料。“‘基改細菌以氫氣為食，呼吸二氧化碳，并不斷繁殖，最終會出現指數成長曲線。”他強調道，“一升活化的‘基改細菌，一天可轉換 500 升的二氧化碳，意即細菌每產生一度（千瓦小時）電，會移除大氣中 237升的二氧化碳。”諾塞拉博士的人工光合作用系統的創新性不僅僅在于高轉化效率，更體現在對無機化學和生物學的融合。

第一代變“發電站”

研究表明，太陽光照射地面1小時就可產生滿足所有人類1年所需的能量。面對著日益緊迫的新能源開發需求和現成的太陽能無法有效利用的困境和矛盾，如何才能像我們身邊的植物那樣利用太陽光高效地將水分解，一度困擾著各國的科學家。諾塞拉博士表示，自己并不是第一個提出這一概念的人，新一代“人造樹葉”并不是史無前例。美國化學學會作為世界上最大的科技協會之一，不止一次發布過關于這方面的成果。

早在20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，其中電解水這最為關鍵一步已經實現，但是在化學條件下離不開高溫及強堿等苛刻條件。反應中用鉑等貴重金屬作為催化劑，需要足夠高的能量，這一能量幾乎能夠摧毀任何生物分子。因此得到能源的成本是天然氣的10倍，汽油的3倍。

1972年，日本學者藤島昭和他的導師共同在《科學》雜志上發表了一篇論文，這篇論文后來被奉為光催化概念的經典之作。由于這一化學過程模擬了光合作用，在自然界中承載這一作用的“人造樹葉”從此進入科學家的視野。

1998年，美國科學家約翰·特納博士研制出了世界上第一片“人造樹葉”，用砷化鎵制成的葉子來分解水，通過釋放的氫和氧產生電流。但砷化鎵素有“半導體貴族”之稱，十分昂貴，不便普及，而且使用壽命也只有一天左右。

諾塞拉博士一直致力于這項在美國被稱為“人工模擬光合作用”的研究，2007年因為提出更好地理解了光合作用而受到廣泛關注。除了大學教授的身份外，他還是一家太陽能源公司的創始人。美國能源部下屬的能源研究計劃局2009年10月曾撥款2370萬美元（大約合1.59億人民幣元）鼓勵新公司和大學研究太陽光合能。諾塞拉博士創建的這家公司就是5家接受政府資助開發的公司之一。

諾塞拉博士和他的團隊不負眾望，經過艱苦攻關，終于在這一領域取得了重大突破。2011年3月27日，他在第241屆美國化學學會上公布了自己團隊研發的第一代“人造樹葉”，可以將每家每戶都變成一個個獨立的“發電站”。它看上去恐怕是世界上最為奇怪的樹葉，不以任何自然界中的樹葉為原型，用硅原料制造，內含電子和催化劑。沒有普通樹葉常見的顏色和心形、扇形或菱形，像一塊亮晶晶的遮光板。雖然如同一張撲克牌那樣單薄，卻能像樹葉那樣進行光合作用。

諾塞拉博士現場進行演示。在眾人的矚目下將一片人造葉子放入3.7升水中，在陽光下能看到氧氣和氫氣在冒泡。將氫氣和氧氣存入電池當中，就轉化為電能，可以滿足一個發展中國家家庭一天的用電需求。水不需要很純凈，他用校園附近的查爾斯河水實驗，效果并沒有受到影響。

第一代“人造樹葉”完成了人工模擬光合作用研究，通過光合作用可將水分離為氫氣和氧氣，在當時引起轟動。這種和晶片一樣薄的元件造價便宜，也很好用，吸引了很多關注。但在諾塞拉博士看來，由于產生的是氫氣，不能不說是一大缺陷。氫氣是一種干凈燃料，不過目前世界上適用氫氣的能源基礎建設尚未普及。盡管日本豐田和其他汽車廠家正在設計只排放水蒸汽的氫燃料汽車，然而添加燃料卻是個問題，多數加油站只提供液態燃料。

第二代成“里程碑”

正因為如此，諾塞拉博士和他的團隊將新一代“人造樹葉”的研究重點轉向“基改細菌”，因為這種特殊的細菌可以將“人造樹葉”產生的氫氣和二氧化碳轉換為細胞內儲存和傳遞化學能的 ATP（三磷酸腺苷），并將 ATP 轉換為酒精燃料后排出體外。

在自然的光合作用下，陽光碰到水和二氧化碳會產生生物量。但是要將生物量轉換成燃料，通常還會需要一個步驟，例如分解玉米制造乙醇。但諾塞拉博士開發的這種“基改細菌”能夠跳過產生生物量的步驟，直接制造出液態燃料。他們用“人工樹葉”將水分解成氧和氫，“基改細菌”吸收氫，與二氧化碳結合產生異丙醇（一種類似乙醇的酒精燃料）等醇基燃料。這個系統很像一個藻類農場，不過這種細菌不像藻類需要持續的光照和維護。

諾塞拉博士還解決了一個長期困擾細菌和太陽能研究人員的問題，就是細菌會死亡。如果要維持細菌的生命，需要使用高電壓電流，那就很不合算了。他們發現，殺死細菌的“兇手”是一種被稱為活性含氧物的分子，令人意外的同時又是活性含氧物的來源。水被分解后，產生活性含氧物的是水分解出的氫，而不是氧。科學家開始很驚訝，還為此困惑了一陣子。確定問題后，哈佛大學的研究人員就能更有效率地制造燃料了。

相對于現有昂貴并且條件苛刻的水解反應，新一代“人造樹葉”的人工光合作用具有多種優勢，例如整個過程在酸堿值（pH）是中性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。科學界度評價新一代“人造樹葉”是朝著清潔無碳能源方向發展的“里程碑”，提供了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，打開了能源開發新技術的大門，將對人類未來的繁榮昌盛產生巨大的影響。

“這是我們期待了多年的愿望。太陽能一直以來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，我們定能把太陽能作為無限量能源的來源。”諾塞拉博士展望道，“新一代‘人造樹葉將在工業技術中引發一場能源革命，如果進展順利的話，10年內家庭用戶就能夠通過這一裝置享受日光的能量。”

雖然新一代“人造樹葉”距離商業化可能還需要幾年時間，但將太陽能轉化為液體燃料的前景已經變得十分明朗。在把它當一個產業經營之前，還有更多的事情需要繼續深入研究，以進一步提高效率。“人造樹葉”系統必須能從大氣層中取得二氧化碳才能永續發展，而這將會是一個能源密集的過程。

編輯：成韻 chengyunpipi@126.com