“人造樹葉”將二氧化碳轉(zhuǎn)化為液體燃料

肖優(yōu)明

近年來(lái)，世界面臨著能源緊缺和環(huán)境污染兩大難題。人類工業(yè)文明對(duì)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(shí)，化石能源的使用引起氣候變暖和環(huán)境污染，嚴(yán)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(zhuǎn)化率達(dá)10.6%

光合作用的核心是用光驅(qū)動(dòng)將水分子裂解為氧氣、氫離子和電子，向地球上所有復(fù)雜的生命提供能量和氧氣。依靠這種關(guān)鍵的反應(yīng)，綠色植物實(shí)現(xiàn)了地球上最成功的光轉(zhuǎn)化機(jī)制，原初光能轉(zhuǎn)換過(guò)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(biāo)準(zhǔn)而高效的光轉(zhuǎn)化作用模式，開發(fā)出人工光合作用技術(shù)。利用納米大小的光感應(yīng)材料將光能轉(zhuǎn)換成電能，由此產(chǎn)生氧化還原酶反應(yīng)。

在美國(guó)能源部的資助下，美國(guó)哈佛大學(xué)能源科學(xué)教授丹尼爾·諾塞拉博士及其團(tuán)隊(duì)2015年研制出新一代“人造樹葉”。這是一種能將太陽(yáng)光、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為液體燃料（尤其是燃料酒精）的新型系統(tǒng)，研究結(jié)果2016年6月發(fā)表于知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》?！叭嗽鞓淙~”既可以使用純凈的二氧化碳?xì)怏w，也能夠直接利用空氣中的二氧化碳。意味著該系統(tǒng)為“碳中性”，不會(huì)向大氣中排放溫室氣體。諾塞拉被譽(yù)為“人工光合作用先驅(qū)”。他在芝加哥能源政策機(jī)構(gòu)的演講中表示：“我們通過(guò)分離水中的氫氣以及細(xì)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(shù)是一種利用光能生成精密化學(xué)物質(zhì)的技術(shù)，有望成為綠色生物工程研發(fā)的開端，憑借該技術(shù)能夠利用太陽(yáng)能生產(chǎn)具有高附加值的各種精密產(chǎn)品。諾塞拉團(tuán)隊(duì)使用自然界綠色植物相同的原料（太陽(yáng)能、水和二氧化碳），生產(chǎn)出高能量密度液體燃料。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)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(jīng)過(guò)基因工程改造的特殊細(xì)菌（以下簡(jiǎn)稱“基改細(xì)菌”）會(huì)把二氧化碳和氫氣轉(zhuǎn)化為液體燃料。

植物通過(guò)光合作用可產(chǎn)生作為燃料的生物質(zhì)，其轉(zhuǎn)換效率約為 1%，并將所有產(chǎn)生能源用來(lái)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(zhuǎn)化效率可達(dá)到10.6%，即能夠捕捉十分之一的太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)化為燃料，遠(yuǎn)高于自然界植物的光合作用效率。如果讓細(xì)菌自己從空氣中捕捉二氧化碳的話，系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率為3%～4%，仍遠(yuǎn)高于自然光合作用。對(duì)酒精燃料的轉(zhuǎn)換率為 6.4%，其中酒精可直接燃燒，生物質(zhì)則可繼續(xù)加工為燃料?！啊募?xì)菌以氫氣為食，呼吸二氧化碳，并不斷繁殖，最終會(huì)出現(xiàn)指數(shù)成長(zhǎng)曲線?！彼麖?qiáng)調(diào)道，“一升活化的‘基改細(xì)菌，一天可轉(zhuǎn)換 500 升的二氧化碳，意即細(xì)菌每產(chǎn)生一度（千瓦小時(shí)）電，會(huì)移除大氣中 237升的二氧化碳?！敝Z塞拉博士的人工光合作用系統(tǒng)的創(chuàng)新性不僅僅在于高轉(zhuǎn)化效率，更體現(xiàn)在對(duì)無(wú)機(jī)化學(xué)和生物學(xué)的融合。

第一代變“發(fā)電站”

研究表明，太陽(yáng)光照射地面1小時(shí)就可產(chǎn)生滿足所有人類1年所需的能量。面對(duì)著日益緊迫的新能源開發(fā)需求和現(xiàn)成的太陽(yáng)能無(wú)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(yáng)光高效地將水分解，一度困擾著各國(guó)的科學(xué)家。諾塞拉博士表示，自己并不是第一個(gè)提出這一概念的人，新一代“人造樹葉”并不是史無(wú)前例。美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)作為世界上最大的科技協(xié)會(huì)之一，不止一次發(fā)布過(guò)關(guān)于這方面的成果。

早在20世紀(jì)70年代初，科學(xué)家就開始嘗試模擬光合作用儲(chǔ)存太陽(yáng)能，其中電解水這最為關(guān)鍵一步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是在化學(xué)條件下離不開高溫及強(qiáng)堿等苛刻條件。反應(yīng)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(xué)者藤島昭和他的導(dǎo)師共同在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇論文，這篇論文后來(lái)被奉為光催化概念的經(jīng)典之作。由于這一化學(xué)過(guò)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(jìn)入科學(xué)家的視野。

1998年，美國(guó)科學(xué)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(lái)分解水，通過(guò)釋放的氫和氧產(chǎn)生電流。但砷化鎵素有“半導(dǎo)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(xiàng)在美國(guó)被稱為“人工模擬光合作用”的研究，2007年因?yàn)樘岢龈玫乩斫饬斯夂献饔枚艿綇V泛關(guān)注。除了大學(xué)教授的身份外，他還是一家太陽(yáng)能源公司的創(chuàng)始人。美國(guó)能源部下屬的能源研究計(jì)劃局2009年10月曾撥款2370萬(wàn)美元（大約合1.59億人民幣元）鼓勵(lì)新公司和大學(xué)研究太陽(yáng)光合能。諾塞拉博士創(chuàng)建的這家公司就是5家接受政府資助開發(fā)的公司之一。

諾塞拉博士和他的團(tuán)隊(duì)不負(fù)眾望，經(jīng)過(guò)艱苦攻關(guān)，終于在這一領(lǐng)域取得了重大突破。2011年3月27日，他在第241屆美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)上公布了自己團(tuán)隊(duì)研發(fā)的第一代“人造樹葉”，可以將每家每戶都變成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“發(fā)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(nèi)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(jìn)行光合作用。

諾塞拉博士現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(yáng)光下能看到氧氣和氫氣在冒泡。將氫氣和氧氣存入電池當(dāng)中，就轉(zhuǎn)化為電能，可以滿足一個(gè)發(fā)展中國(guó)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(shí)驗(yàn)，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(guò)光合作用可將水分離為氫氣和氧氣，在當(dāng)時(shí)引起轟動(dòng)。這種和晶片一樣薄的元件造價(jià)便宜，也很好用，吸引了很多關(guān)注。但在諾塞拉博士看來(lái)，由于產(chǎn)生的是氫氣，不能不說(shuō)是一大缺陷。氫氣是一種干凈燃料，不過(guò)目前世界上適用氫氣的能源基礎(chǔ)建設(shè)尚未普及。盡管日本豐田和其他汽車廠家正在設(shè)計(jì)只排放水蒸汽的氫燃料汽車，然而添加燃料卻是個(gè)問題，多數(shù)加油站只提供液態(tài)燃料。

第二代成“里程碑”

正因?yàn)槿绱?，諾塞拉博士和他的團(tuán)隊(duì)將新一代“人造樹葉”的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向“基改細(xì)菌”，因?yàn)檫@種特殊的細(xì)菌可以將“人造樹葉”產(chǎn)生的氫氣和二氧化碳轉(zhuǎn)換為細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存和傳遞化學(xué)能的 ATP（三磷酸腺苷），并將 ATP 轉(zhuǎn)換為酒精燃料后排出體外。

在自然的光合作用下，陽(yáng)光碰到水和二氧化碳會(huì)產(chǎn)生生物量。但是要將生物量轉(zhuǎn)換成燃料，通常還會(huì)需要一個(gè)步驟，例如分解玉米制造乙醇。但諾塞拉博士開發(fā)的這種“基改細(xì)菌”能夠跳過(guò)產(chǎn)生生物量的步驟，直接制造出液態(tài)燃料。他們用“人工樹葉”將水分解成氧和氫，“基改細(xì)菌”吸收氫，與二氧化碳結(jié)合產(chǎn)生異丙醇（一種類似乙醇的酒精燃料）等醇基燃料。這個(gè)系統(tǒng)很像一個(gè)藻類農(nóng)場(chǎng)，不過(guò)這種細(xì)菌不像藻類需要持續(xù)的光照和維護(hù)。

諾塞拉博士還解決了一個(gè)長(zhǎng)期困擾細(xì)菌和太陽(yáng)能研究人員的問題，就是細(xì)菌會(huì)死亡。如果要維持細(xì)菌的生命，需要使用高電壓電流，那就很不合算了。他們發(fā)現(xiàn)，殺死細(xì)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(shí)又是活性含氧物的來(lái)源。水被分解后，產(chǎn)生活性含氧物的是水分解出的氫，而不是氧?？茖W(xué)家開始很驚訝，還為此困惑了一陣子。確定問題后，哈佛大學(xué)的研究人員就能更有效率地制造燃料了。

相對(duì)于現(xiàn)有昂貴并且條件苛刻的水解反應(yīng)，新一代“人造樹葉”的人工光合作用具有多種優(yōu)勢(shì)，例如整個(gè)過(guò)程在酸堿值（pH）是中性環(huán)境和室溫條件下就可以很容易地實(shí)現(xiàn)，使用的材料也都廉價(jià)易得，更適宜工業(yè)化生產(chǎn)?？茖W(xué)界度評(píng)價(jià)新一代“人造樹葉”是朝著清潔無(wú)碳能源方向發(fā)展的“里程碑”，提供了減少人類對(duì)化石燃料的依賴以及應(yīng)對(duì)全球氣候變化的手段，打開了能源開發(fā)新技術(shù)的大門，將對(duì)人類未來(lái)的繁榮昌盛產(chǎn)生巨大的影響。

“這是我們期待了多年的愿望。太陽(yáng)能一直以來(lái)只能作為有限的能源供人類使用，工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化遙不可及。在不久的將來(lái)，我們定能把太陽(yáng)能作為無(wú)限量能源的來(lái)源。”諾塞拉博士展望道，“新一代‘人造樹葉將在工業(yè)技術(shù)中引發(fā)一場(chǎng)能源革命，如果進(jìn)展順利的話，10年內(nèi)家庭用戶就能夠通過(guò)這一裝置享受日光的能量?！?/p>

雖然新一代“人造樹葉”距離商業(yè)化可能還需要幾年時(shí)間，但將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為液體燃料的前景已經(jīng)變得十分明朗。在把它當(dāng)一個(gè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)營(yíng)之前，還有更多的事情需要繼續(xù)深入研究，以進(jìn)一步提高效率?！叭嗽鞓淙~”系統(tǒng)必須能從大氣層中取得二氧化碳才能永續(xù)發(fā)展，而這將會(huì)是一個(gè)能源密集的過(guò)程。

編輯：成韻 chengyunpipi@126.com