植物通過光合作用將陽光轉化為能量。我們能做同樣的事情嗎?

　    如果最聰明的能源是豐富、廉價和清潔的能源，那么植物比人類聰明得多。數十億年來，他們開發出了可能是世界上最高效的電源： 光合作用，或將陽光、二氧化碳和水轉化為可用的燃料，在此過程中釋放有用的氧氣。

　　就植物(以及藻類和一些細菌)而言，“可用燃料”是碳水化合物，蛋白質和脂肪。另一方面，人類正在尋找液體燃料來為汽車提供動力，并尋找電力來運行冰箱。但這并不意味著我們不能依靠光合作用來解決我們骯臟、昂貴、日益減少的能源問題。多年來，科學家們一直試圖想出一種方法來使用與植物相同的能源系統，但最終輸出有所改變。

　　僅使用陽光作為能量輸入，工廠進行大規模的能量轉換，產生11，020億噸(1萬億公噸)的一氧化碳2 每年轉化為有機物，即以食物形式為動物提供的能量[來源： 獵人].這只使用了到達地球的陽光的3%[來源： 博伊德].

　　陽光中可用的能量是一種尚未開發的資源，我們才剛剛開始真正掌握。目前的光伏電池技術，通常是基于半導體的系統，價格昂貴，效率不高，并且只能從陽光瞬間轉換為電能 - 能量輸出不會在下雨天存儲(盡管這可能會改變：參見“有沒有辦法在晚上獲得太陽能?”)。但是，模擬植物中發生的事情的人工光合作用系統或光電化學電池可能會產生無窮無盡的，相對便宜的供應，以我們生活所需的所有清潔“氣體”和電力 - 并且也是可存儲的形式。

　　在本文中，我們將研究人工光合作用，看看它走了多遠。我們將找出該系統必須能夠做什么，查看一些當前實現人工光合作用的方法，并了解為什么它不像其他一些能量轉換系統那樣容易設計。

　　那么，人工光合作用系統必須能夠做什么呢?

　　人工光合作用方法

　　為了重建植物已經完善的光合作用，能量轉換系統必須能夠做兩件關鍵的事情(可能在某種充當結構“葉子”的納米管內部)：收獲陽光和分裂水分子。

　　植物使用捕獲陽光的葉綠素以及利用陽光分解H的蛋白質和酶的集合來完成這些任務。2O分子轉化為氫，電子和氧(質子)。然后使用電子和氫來轉化一氧化碳2 變成碳水化合物，氧氣被排出。

　　為了使人工系統滿足人類需求，輸出必須改變。它不是在反應結束時只釋放氧氣，而是還必須釋放液氫(或者甲醇)。這種氫氣可以直接用作液體燃料或引導到燃料電池中。獲得生產氫氣的過程不是問題，因為它已經存在于水分子中。捕捉陽光不是問題——目前的太陽能系統就是這樣做的。

　　困難的部分是分裂水分子以獲得促進產生氫氣的化學過程所需的電子。分解水需要大約 2.5 伏的能量輸入 [來源： 獵人].這意味著這個過程需要一個催化劑——某種東西來推動整個事情的發展。催化劑與太陽的光子反應引發化學反應。

　　在過去5年或10年中，這一領域取得了重要進展。一些比較成功的催化劑包括：

　　錳：錳是植物光合核心中的催化劑。單個錳原子觸發利用陽光分解水的自然過程。在人工系統中使用錳是一種 仿生法 ——它直接模仿了在植物中發現的生物學。

　　染料敏化二氧化鈦： 二氧化鈦(二氧化鈦)2)是一種穩定的金屬，可以作為有效的催化劑。它用于染料敏化太陽能電池，也稱為格雷策爾電池，自 1990 年代以來一直存在。在格雷策爾細胞中，TiO2 懸浮在一層染料顆粒中，捕獲陽光，然后將其暴露在TiO中2 開始反應。

　　氧化鈷：最近發現的催化劑之一，納米級氧化鈷分子(CoO)簇被發現是人工光合作用系統中穩定且高效的觸發器。氧化鈷也是一種非常豐富的分子——它是目前流行的工業催化劑。

　　一旦完善，這些系統可能會改變我們為世界提供動力的方式。

　　人工光合作用應用

　　NREL科學家John Turner展示了光電化學(PEC)電池利用光源能量從水中產生氫氣的能力。

　　圖片由沃倫·格雷茨提供， 國家可再生能源實驗室化石燃料供不應求，它們正在造成污染和全球變暖。煤炭雖然豐富，但對人體和環境都造成了高度污染。風力渦輪機正在損害風景如畫的景觀，玉米需要大片農田，目前的太陽能電池技術昂貴且效率低下。人工光合作用可以提供一種新的，可能是擺脫我們能源困境的理想方法。

　　首先，它比當今太陽能電池板中的光伏電池具有優勢。光伏電池中太陽光直接轉化為電能使太陽能成為依賴天氣和時間的能源，這降低了其效用并增加了價格。另一方面，人工光合作用可以產生可儲存的燃料。

　　與大多數產生替代能源的方法不同，人工光合作用有可能產生不止一種類型的燃料。可以調整光合作用過程，以便光，一氧化碳之間的反應2 和 H2O最終產生液氫。液氫可以像汽油一樣用于氫動力發動機。它也可以被輸送到燃料電池裝置中，這將有效地逆轉光合作用過程，通過將氫和氧結合到水中來產生電力。氫燃料電池可以像我們從電網獲得的東西一樣發電，所以我們用它來運行我們的空調和熱水器。

　　大規模氫能的一個當前問題是如何高效和清潔地產生液態氫的問題。人工光合作用可能是一種解決方案。

　　甲醇是另一種可能的輸出。光電化學電池在光合作用過程中不會發射純氫，而是可以產生甲醇燃料(CH3哦)。甲醇或甲醇通常來自天然氣中的甲烷，通常被添加到商業汽油中以使其燃燒更干凈。有些汽車甚至可以單獨使用甲醇。

　　在不產生任何有害副產品(如溫室氣體)的情況下生產清潔燃料的能力使人工光合作用成為環境的理想能源。它不需要采礦、種植或鉆探。由于水和二氧化碳目前都不短缺，它也可能是一種無限的來源，從長遠來看可能比其他能源形式便宜。事實上，這種類型的光電化學反應甚至可以去除大量的有害CO。2 在生產燃料的過程中從空氣中。這是一個雙贏的局面。

　　但我們還沒有到達那里。大規模使用人工光合作用存在一些障礙。

　　創造人工光合作用的挑戰

　　大自然已經完善了數十億年的光合作用過程。在合成系統中復制它并不容易。

　　雖然人工光合作用在實驗室中起作用，但它還沒有準備好大規模消費。復制綠色植物中自然發生的情況并非易事。

　　效率在能源生產中至關重要。植物花了數十億年的時間才開發出對它們有效工作的光合作用過程;在合成系統中復制它需要大量的試驗和錯誤。

　　在植物中充當催化劑的錳在人造裝置中效果不佳，主要是因為錳有些不穩定。它不會持續很長時間，也不會溶于水，這使得基于錳的系統有些低效和不切實際。另一個很大的障礙是植物的分子幾何形狀非常復雜和精確 - 大多數人造設置無法復制這種程度的復雜性。

　　穩定性是許多潛在光合作用系統中的一個問題。有機催化劑經常降解，或者它們會引發額外的反應，從而破壞電池的工作。無機金屬氧化物催化劑是一種很好的可能性，但它們必須足夠快地工作才能有效地利用涌入系統的光子。這種催化速度很難獲得。而一些具有速度的金屬氧化物在另一個領域缺乏 - 豐度。

　　在當前最先進的染料敏化細胞中，問題不在于催化劑;相反，它是從分裂的水分子中吸收質子的電解質溶液。它是電池的重要組成部分，但它由揮發性溶劑制成，會侵蝕系統中的其他成分。

　　過去幾年的進展開始解決這些問題。氧化鈷是一種穩定、快速和豐富的金屬氧化物。染料敏化細胞的研究人員提出了一種非溶劑型解決方案來替代腐蝕性物質。

　　人工光合作用的研究正在加速發展，但它不會很快離開實驗室。這種類型的系統至少需要10年才能成為現實[來源： 博伊德].這是一個非常有希望的估計。有些人不確定它是否會發生。盡管如此，誰能抗拒希望人造植物的行為像真實的東西?