植物通过光合作用将阳光转化为能量。我们能做同样的事情吗?

　    如果最聪明的能源是丰富、廉价和清洁的能源，那么植物比人类聪明得多。数十亿年来，他们开发出了可能是世界上最高效的电源： 光合作用，或将阳光、二氧化碳和水转化为可用的燃料，在此过程中释放有用的氧气。

　　就植物(以及藻类和一些细菌)而言，“可用燃料”是碳水化合物，蛋白质和脂肪。另一方面，人类正在寻找液体燃料来为汽车提供动力，并寻找电力来运行冰箱。但这并不意味着我们不能依靠光合作用来解决我们肮脏、昂贵、日益减少的能源问题。多年来，科学家们一直试图想出一种方法来使用与植物相同的能源系统，但最终输出有所改变。

　　仅使用阳光作为能量输入，工厂进行大规模的能量转换，产生11，020亿吨(1万亿公吨)的一氧化碳2 每年转化为有机物，即以食物形式为动物提供的能量[来源： 猎人].这只使用了到达地球的阳光的3%[来源： 博伊德].

　　阳光中可用的能量是一种尚未开发的资源，我们才刚刚开始真正掌握。目前的光伏电池技术，通常是基于半导体的系统，价格昂贵，效率不高，并且只能从阳光瞬间转换为电能 - 能量输出不会在下雨天存储(尽管这可能会改变：参见“有没有办法在晚上获得太阳能?”)。但是，模拟植物中发生的事情的人工光合作用系统或光电化学电池可能会产生无穷无尽的，相对便宜的供应，以我们生活所需的所有清洁“气体”和电力 - 并且也是可存储的形式。

　　在本文中，我们将研究人工光合作用，看看它走了多远。我们将找出该系统必须能够做什么，查看一些当前实现人工光合作用的方法，并了解为什么它不像其他一些能量转换系统那样容易设计。

　　那么，人工光合作用系统必须能够做什么呢?

　　人工光合作用方法

　　为了重建植物已经完善的光合作用，能量转换系统必须能够做两件关键的事情(可能在某种充当结构“叶子”的纳米管内部)：收获阳光和分裂水分子。

　　植物使用捕获阳光的叶绿素以及利用阳光分解H的蛋白质和酶的集合来完成这些任务。2O分子转化为氢，电子和氧(质子)。然后使用电子和氢来转化一氧化碳2 变成碳水化合物，氧气被排出。

　　为了使人工系统满足人类需求，输出必须改变。它不是在反应结束时只释放氧气，而是还必须释放液氢(或者甲醇)。这种氢气可以直接用作液体燃料或引导到燃料电池中。获得生产氢气的过程不是问题，因为它已经存在于水分子中。捕捉阳光不是问题——目前的太阳能系统就是这样做的。

　　困难的部分是分裂水分子以获得促进产生氢气的化学过程所需的电子。分解水需要大约 2.5 伏的能量输入 [来源： 猎人].这意味着这个过程需要一个催化剂——某种东西来推动整个事情的发展。催化剂与太阳的光子反应引发化学反应。

　　在过去5年或10年中，这一领域取得了重要进展。一些比较成功的催化剂包括：

　　锰：锰是植物光合核心中的催化剂。单个锰原子触发利用阳光分解水的自然过程。在人工系统中使用锰是一种 仿生法 ——它直接模仿了在植物中发现的生物学。

　　染料敏化二氧化钛： 二氧化钛(二氧化钛)2)是一种稳定的金属，可以作为有效的催化剂。它用于染料敏化太阳能电池，也称为格雷策尔电池，自 1990 年代以来一直存在。在格雷策尔细胞中，TiO2 悬浮在一层染料颗粒中，捕获阳光，然后将其暴露在TiO中2 开始反应。

　　氧化钴：最近发现的催化剂之一，纳米级氧化钴分子(CoO)簇被发现是人工光合作用系统中稳定且高效的触发器。氧化钴也是一种非常丰富的分子——它是目前流行的工业催化剂。

　　一旦完善，这些系统可能会改变我们为世界提供动力的方式。

　　人工光合作用应用

　　NREL科学家John Turner展示了光电化学(PEC)电池利用光源能量从水中产生氢气的能力。

　　图片由沃伦·格雷茨提供， 国家可再生能源实验室化石燃料供不应求，它们正在造成污染和全球变暖。煤炭虽然丰富，但对人体和环境都造成了高度污染。风力涡轮机正在损害风景如画的景观，玉米需要大片农田，目前的太阳能电池技术昂贵且效率低下。人工光合作用可以提供一种新的，可能是摆脱我们能源困境的理想方法。

　　首先，它比当今太阳能电池板中的光伏电池具有优势。光伏电池中太阳光直接转化为电能使太阳能成为依赖天气和时间的能源，这降低了其效用并增加了价格。另一方面，人工光合作用可以产生可储存的燃料。

　　与大多数产生替代能源的方法不同，人工光合作用有可能产生不止一种类型的燃料。可以调整光合作用过程，以便光，一氧化碳之间的反应2 和 H2O最终产生液氢。液氢可以像汽油一样用于氢动力发动机。它也可以被输送到燃料电池装置中，这将有效地逆转光合作用过程，通过将氢和氧结合到水中来产生电力。氢燃料电池可以像我们从电网获得的东西一样发电，所以我们用它来运行我们的空调和热水器。

　　大规模氢能的一个当前问题是如何高效和清洁地产生液态氢的问题。人工光合作用可能是一种解决方案。

　　甲醇是另一种可能的输出。光电化学电池在光合作用过程中不会发射纯氢，而是可以产生甲醇燃料(CH3哦)。甲醇或甲醇通常来自天然气中的甲烷，通常被添加到商业汽油中以使其燃烧更干净。有些汽车甚至可以单独使用甲醇。

　　在不产生任何有害副产品(如温室气体)的情况下生产清洁燃料的能力使人工光合作用成为环境的理想能源。它不需要采矿、种植或钻探。由于水和二氧化碳目前都不短缺，它也可能是一种无限的来源，从长远来看可能比其他能源形式便宜。事实上，这种类型的光电化学反应甚至可以去除大量的有害CO。2 在生产燃料的过程中从空气中。这是一个双赢的局面。

　　但我们还没有到达那里。大规模使用人工光合作用存在一些障碍。

　　创造人工光合作用的挑战

　　大自然已经完善了数十亿年的光合作用过程。在合成系统中复制它并不容易。

　　虽然人工光合作用在实验室中起作用，但它还没有准备好大规模消费。复制绿色植物中自然发生的情况并非易事。

　　效率在能源生产中至关重要。植物花了数十亿年的时间才开发出对它们有效工作的光合作用过程;在合成系统中复制它需要大量的试验和错误。

　　在植物中充当催化剂的锰在人造装置中效果不佳，主要是因为锰有些不稳定。它不会持续很长时间，也不会溶于水，这使得基于锰的系统有些低效和不切实际。另一个很大的障碍是植物的分子几何形状非常复杂和精确 - 大多数人造设置无法复制这种程度的复杂性。

　　稳定性是许多潜在光合作用系统中的一个问题。有机催化剂经常降解，或者它们会引发额外的反应，从而破坏电池的工作。无机金属氧化物催化剂是一种很好的可能性，但它们必须足够快地工作才能有效地利用涌入系统的光子。这种催化速度很难获得。而一些具有速度的金属氧化物在另一个领域缺乏 - 丰度。

　　在当前最先进的染料敏化细胞中，问题不在于催化剂;相反，它是从分裂的水分子中吸收质子的电解质溶液。它是电池的重要组成部分，但它由挥发性溶剂制成，会侵蚀系统中的其他成分。

　　过去几年的进展开始解决这些问题。氧化钴是一种稳定、快速和丰富的金属氧化物。染料敏化细胞的研究人员提出了一种非溶剂型解决方案来替代腐蚀性物质。

　　人工光合作用的研究正在加速发展，但它不会很快离开实验室。这种类型的系统至少需要10年才能成为现实[来源： 博伊德].这是一个非常有希望的估计。有些人不确定它是否会发生。尽管如此，谁能抗拒希望人造植物的行为像真实的东西?