人造光合作用：靠陽光、水和二氧化碳，制造清潔能源

“一直以來，都難以實現(xiàn)具有高度選擇性的人造光合作用，也就是說盡可能將陽光轉(zhuǎn)化成你想要的燃料，而不是同時產(chǎn)生一大堆廢料?！眮碜詣蚧瘜W系的 Qian Wang 博士說。

研究人員研發(fā)出了一套設(shè)備，可獨立運行，將陽光、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳中性燃料，無需任何額外組件或者電力。

該設(shè)備由劍橋大學團隊研制而成，向人工光合作用的實現(xiàn)邁出了重要一步：這一過程模仿植物將陽光轉(zhuǎn)化為能量的能力。設(shè)備基于先進的“光片”(photosheet)技術(shù)，能夠?qū)㈥柟?、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成氧氣和甲酸(一種可直接使用或者轉(zhuǎn)化為氫的可存儲燃料)。

《自然-能源》(Nature Energy)報告了這一成果，展示了一種將二氧化碳轉(zhuǎn)化成清潔燃料的新方法。這套無線設(shè)備的規(guī)模擴大后，可用于能源“農(nóng)場”，類似于太陽能農(nóng)場，使用陽光和水產(chǎn)生清潔燃料。

收集太陽能將二氧化碳轉(zhuǎn)化成燃料，是減少二氧化碳排放、逐漸放棄化石燃料的有效方法。然而，要生產(chǎn)出不含不必要副產(chǎn)物的清潔燃料仍具挑戰(zhàn)。

“此外，氣體燃料的儲存和副產(chǎn)物的分離相當復雜，我們想要搞清楚，如何能干凈地制造出易于儲存和運輸?shù)囊后w燃料。”該論文的資深作者 Erwin Reisner 教授補充說。

2019 年，Reisner 團隊的研究人員研制出一種基于“人造葉片”設(shè)計的太陽能反應(yīng)器，使用陽光、二氧化碳和水生成一種稱作合成氣體(syngas)的燃料。而本次新技術(shù)的表現(xiàn)和行為相當類似于“人造葉片”，但是工作原理不同，產(chǎn)物是甲酸。

而且人造葉片使用的是來自太陽能電池的組件，但新設(shè)備無需這些組件，只依靠嵌在薄片上的光催化劑，成為所謂的光催化片。這些薄片由半導體粉末制成，容易大量制備，價格低廉。

除此之外，這一新技術(shù)更穩(wěn)健，產(chǎn)生的清潔燃料更容易儲存，具有大規(guī)模生成燃料產(chǎn)物的潛力。測試單位的大小為20平方厘米，但研究人員說，要將其規(guī)模擴大成幾平方米應(yīng)該相對簡單。同時，甲酸能夠在溶液中積聚，采用化學手段可轉(zhuǎn)化成不同類型的燃料。

“我們驚異于該技術(shù)的高度選擇性，它幾乎不會產(chǎn)生什么副產(chǎn)物?！盬ang 說，“有時候事情確實會和預(yù)期不同，但這次效果確實更好，實在罕見?！?

二氧化碳轉(zhuǎn)化鈷基催化劑容易實現(xiàn)，且相對穩(wěn)定。雖然與人造葉片相比，該技術(shù)規(guī)模更容易擴大，但其效能仍需改進，然后再考慮投入商業(yè)使用。研究人員正在用不同類型的催化劑進行實驗，以同時增強穩(wěn)定性和效能。

獲得目前的成果還有賴于東京大學 Kazunari Domen 教授團隊的合作，他也是該研究的共同作者。目前研究人員正在進一步優(yōu)化系統(tǒng)，提升效能。