杨培东：纳米技术如何实现人工光合作用！

杨培东，顶尖纳米材料科学家，美国艺术与科学院院士，2014年以纳米导体激光器入围诺贝尔物理学奖。最近，以杨培东为代表的纳米科学家正试图将自然和科技进行完美的结合，将太阳光转变为液体燃料，也就是像植物一样通过“光合作用”来获取人们社会所需要而日益枯竭的能源。

杨培东 教授

进行光合作用的系统，杨培东主要是基于纳米线材料。他们的策略之一是通过纳米线将太阳光转变为电子，供给细菌用于将CO2和水转化为液体燃料。第二种策略也是基于纳米线，通过纳米线产生的电能将水裂解为氢气和氧气，供给细菌用于H2和CO2反应合成甲烷。

图1.  纳米线和细菌的完美集合！

记者：目前已经能够将太阳能转化为电能，而且比较容易，当时转化为燃料似乎还很遥远，为什么要做这么艰难的事情？

杨培东：太阳能电池能量储存是个难题，也许有一天，科学家会想到个很好的办法来保存太阳能电池得到的光电能量。但是光合作用能够一步解决能量转化和储存的问题。它能将太阳能一次性转化并存储在有机分子的化学键中。

 

记者：这种半自然半人工的光合作用是怎么想出来的？

杨培东：故事还得从十年前说起。当时伯克利搭建了一整套的太阳能-燃料转化系统，准备用于模拟自然界的光合作用。我们利用半导体将太阳能转化为电能，然后将电能用来激活2种催化剂材料。一种催化剂吧CO2还原或者说给电子，另一种催化剂从水中拿走电子或者说氧化。这就是自然界的光合作用过程。当时的关键问题就在于CO2催化剂效率太低。

大约五年前，我们决定利用自然的力量来催化CO2，譬如一些细菌。这些细菌对CO2具有极高的催化能力。

所以，整体上来说，我们是利用无机纳米材料来捕获太阳能并产生电子，然后将电能供给给细菌，利用细菌将CO2转化为醋酸盐，接着我们又利用另一种细菌将醋酸盐转化为更加复杂的化合物。

图2. 人工光合作用策略一

记者：这种“光合作用”能够商业化吗？

杨培东：完全可以放大，但是转化效率还要提高5-10%我们才会将其推向市场。

 

记者：听说这种“光合作用”效率很低！

杨培东：实际上，自然界绿色植物的光合作用效率本身就很低，只有不到1%。确实不如目前商业太阳能电池20%甚至更高的效率，但是太阳能电池能量不能存储。所以，我们将通过更好的技术和生物学，实现和自然界光合作用同样的转化效率，甚至更高！

图3. 人工光合作用策略二

 

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