“人工光合作用”会是解决气候问题的救星吗？

明天又逢世界地球日，中国科学院副院长丁仲礼曾说，地球不需要被拯救，需要被拯救的是人类自己。

在过去的一年里，加州超大山火、北极海冰缩减至历史记录第二低值、海洋热量创纪录等，影响了无数人的生活。二氧化碳等温室气体排放量激增导致的气候变化是人类面临的全球性问题。

太阳能等可再生清洁能源在“碳中和”目标下得到了更广泛的关注，在政策支持下，我国未来十年太阳能的利用将会得到进一步发展。

今年地球日的主题是“修复我们的地球（Restore Our Earth）”  图｜TeePublic

一般情况下，太阳能可以通过太阳能电池转化成电能，但要在常见的太瓦级（10的12次方瓦特）电能需求层面上解决能源转化与存储问题非常困难。因此，科学家们提出了一种将太阳能转化为高密度化学能的思路，即人工光合作用。

一叶一乾坤，科学家们从植物的光合作用中得到灵感，近百年来不断探索如何实现人工光合作用，希望利用阳光，将水及二氧化碳转化为碳化合物与氧气，即把光能转化为化学能，储存在化合物中。麦克阿瑟天才奖得主、美国科学院院士、世界顶尖科学家协会（WLA）会员杨培东教授也是其中之一。

杨培东教授把他研发的人工光合作用装置称为“液体阳光”，以半导体光学二极管为基础，构建纳米“森林”，捕捉太阳光并利用空气中的二氧化碳合成有用的化学制品（包括化学燃料、药品，以及人类生存所需要的高分子材料）。此举不仅能够实现碳的0排放，还能直接降低大气中的二氧化碳含量。这项发明让杨培东教授获得了2020年全球能源奖的“非常规能源类”奖项。

植物的光合作用  图｜千图网

植物光合作用的全反应分为两个过程，即需要阳光参与的“光反应”与不需要阳光参与的卡尔文固碳循环反应。在人工光合作用中，需要找到合适的催化剂才能实现两个反应。同时，高比表面积（指单位重量的物体的表面积大小，比表面积越大，物体细度越细）的装置也将增加太阳能转化的效率。

杨培东教授的研究团队在半导体硅的纳米导线阵列（高比表面积）中布置了两类催化剂，即光反应需要的水氧化催化剂与固碳所需要的二氧化碳还原催化剂，在半导体吸收光能后，整个系统能通过导线表面的催化剂实现光合作用的全反应。团队在2014年就通过人工光合作用成功生成了醋酸。醋酸是简单而重要的化学中间体，可利用工业技术转化成其它各类化学制品，例如汽油、前体药品等。

杨培东教授认为，人工光合作用是一个相对来说比较好的、终极的碳平衡方案，同时能够解决能源问题，包括二氧化碳排放的环境问题。

电子显微镜下的三维纳米导线阵列  图｜新浪科技

在一步步的改进工作后，目前，研究团队的人工光合作用太阳能转化效率比可达8%-10%，比自然界高出16-20倍。团队仍在继续改进催化剂以及二氧化碳还原环境（如高碱浓度体系），以进一步提升转化效率。随着这项釜底抽薪式碳中和技术的发展，未来阳光和水将成为清洁能源的来源，唯一副产物是氧气。

此外，这项研究还有更加深远的拓展和应用，如“人工固氮”和火星大气改造计划（火星大气96%为二氧化碳）。

参考链接：

1.https://public.wmo.int/zh-hans/media/

2.http://www.xinhuanet.com/fortune/2020-12/15/c_1126864843.htm

3.https://en.wikipedia.org/wiki/Artificial_photosynthesis

4.https://tech.sina.com.cn/scientist/2019-07-25/doc-ihytcitm4436494.shtml

5.https://www.dailycal.org/2020/09/14/uc-berkeley-professor-peidong-yang-receives-global-energy-prize/

6.https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_12182652

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