Science里程碑重磅：人工光合作用效率比植物提高近一个数量级！

近年来，能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能无疑是清洁能源和可持续能源的首选。科学家一直致力于人工光合作用研究，希望通过CO₂还原，将太阳能转化为生物质、燃料等有用的化学品。

 

人工光合作用至少存在以下3个问题：

1）光合作用效率较低。植物光合作用储存其吸收的太阳能只有大约1%，目前人工光合作用水平只是在此基础上提高了几成功力而已。

2）毒性与生物兼容性问题。

3）厌氧环境的限制。

 

虽然，总有这样那样的问题，但是，科学家嘛，就是喜欢挑战极限，攻克一个又一个难关，直到最终实现理想中的目标。难道，这就是传说中的乐在其中吗？

 

这不，今日凌晨，Science报道了Liu等人关于人工光合作用的最新里程碑式重大进展。研究人员开发了一种基于重组菌（Ralstonia eutropha）和Co-P合金水裂解催化剂的新型人工光合作用系统，成功实现利用太阳能将CO₂和H₂O高效转化为商用化学品。

图1. 具有较好生物兼容性的水裂解催化剂

 

Co-P无机材料在地球上富含丰富，且具有良好的生物兼容性。一方面，Co-P合金催化剂可在较低驱动电压下裂解水，产生H₂和O₂。另一方面，具有氧化氢气功能的细菌消耗掉H₂，并在O₂存在的条件下，将较低浓度的CO₂转化为生物质和燃料，或者其他化学产品。

图2. CO₂和H₂O高效选择性转化位商业化学品

 

这种具有生物兼容性的自修复电极有效避免了前人研究的人工光合作用系统中的毒性问题，从而可以在开放的有氧环境中操作。

在电能驱动生产细菌生物质和液体醇燃料体系中， CO₂还原的能量效率约为50%，每1 KWh电量可消耗掉180 g CO₂。将该系统用于现有的太阳能光伏器件中，在不需要电的情况下，其CO₂还原能量效率最高可达约10%，比自然界植物光合作用提高了近一个数量级！

图3. 牛哄哄的CO₂能量转化效率

为了满足大家的好奇心，下面来介绍一下这项工作的来龙去脉！

 

话说那是2011年的某一天，哦，好吧，或者某几天，哈佛大学的Dan Nocera教授发明了一种人工树叶，可通过光解水产生O₂和H₂。H₂在燃料电池中跑来跑去，然后就产生了电能。但是这个能量密度实在是太低了：由于其处于蒸汽状态，任何燃料的生产都需要很大的储罐或者高压压缩。

我勒个去，这可咋办呢？不要担心，另外的一些研究团队就开始接力了。他们将H₂和CO₂中的C结合起来，用于制备高能量密度的液态碳氢化合物。

根据这些研究成果，2015年， Nocera团队发明了一种基于细菌和电的复合体系，将水裂解产生的H₂和CO₂中的C结合在一起，成功制备得到了异丙醇。这种方案有一个问题，就是其采用超高电压，使得产生的活性氧分子更少，并且大大降低了电能转化为化学能的效率，其系统转化效率仅为3.2%。

有鉴于此，Nocera及其合作者如今将Ni催化剂替换为Co-P合金催化剂，从而避免活性氧物种的产生，使得操作电压大大降低，能量转化效率大大提高。

这个故事再一次告诉我们，Science这种东西，从来就不是一蹴而就的。即便如此，要想取代石油的霸主地位，太阳能依然任重而道远。不过，古话说得好，不想取代石油的太阳能，不是好异丙醇。所以，问题就来了，这项工作还存在哪些问题需要解决，才能往前迈一步、两步或者更多步呢？欢迎大家留言讨论！

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Chong Liu, Brendan C. Colón, Marika Ziesack, Pamela A. Silver, Daniel G. Nocera. Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis. Science, 2016, 352, 1210-1213.