人工光合作用有希望成功

这是化学面临的最伟大的挑战——发明一组可以把水和阳光全部有效地转化成廉价清洁的能源的系统。

当我们看到一棵沐浴在阳光里的植物时，羡慕之情不觉油然而生。它们生长在那里，日复一日地从阳光里汲取大量的养分；而排出的，除了我们呼吸所需的氧气之外，别无其他讨厌的东西。相比较而言，人类对燃料生产的开发则以破坏为代价，十分混乱。对全球来说，我们从地下开采煤、石油、天然气燃烧时所产生的二氧化碳，远远大于它能够被消耗的量。

作为真正的绿色卫士，我们在模仿植物的行为方面可以做些什么？位于巴萨迪那（Pasadena）的加州理工学院的一位化学家Nate Lewis说：“在1个小时里从太阳辐射到地球上的能量要比人类1整年所消耗的能量还要多！”我们知道如何把太阳能转化为电能——这就是光电池要做的事。但是在我们需要的地方和需要的时候，并不总是阳光普照。通过光合作用，植物能够把阳光转化成养分储藏起来，放在以后再用。倘若我们人类也能这样做，把太阳能节省下来供雨天使用，或者直接压入燃料储藏罐，那么让我们最为困惑的能源问题大部分也可以迎刃而解了。实现人工光合作用的挑战已经确定——然而它将被证明是最伟大的挑战之一。

当然，没有人会说光合作用是件容易的事。植物为了进化到现在这样的程度也花了几百万年的时间，而且也没有达到尽善尽美的程度。光合作用的全部内容就是：利用太阳的能量把水分解成它的组成成分——氢和氧，再从化学上把它们重新组合成具有更大能量的分子——在植物中借助大气里的二氧化碳合成了碳水化合物。但是，一般的农作物在碳水化合物里只储藏了有效太阳能的很小一部分。倘若太阳的照耀过于强烈，植物的组织机构难以承受时便会在差不多半个小时之后中止工作。帮助让这个过程快速实施的复杂的天然催化剂也必须保持不断更新。

从我们的目标要求来看，碳水化合物并不是最好的营养储存。我们需要更纯净的，燃烧起来更清洁的具有高能量密度的某种物质。显然氢是一种明智的选择。一大袋氢气，每千克储藏的能量为传统汽油的2.5倍。把氢充入一种燃料电池，在需要的时候你可以通过让氢与氧发生化合反应来发电，并生产出清洁的可饮用水作为副产品。所有这一切意味着人工光合作用并非只是仿效（天然）光合作用，而是要做得比它们更好。“这听起来简单，只是来分解水，”位于西雅图（Seattle）的华盛顿大学的化学家Daniel Gamelin说。但在具体做法的细节上麻烦不少。首先，你一定要建造一种类似“天线”，接到一个普通的光电池上，用来吸收阳光，并用这些能量来放出电子。然后，化学方法介入了：这些电子在催化剂的引导下，用一种复杂激烈的方式与合适的分子发生反应，生成我们所需的燃料。

1998年John Turner与他的合作伙伴Oscar Khaselev一起在美国的科罗拉多州（Colorado）的美国国家可再生能源实验室工作时，对这项工作设立了标准。“一天，我在走廊里看到一张关于人工光合作用的招聘广告，——我也许可以帮上忙。”他说。经过一年的摆弄零件，其中包括从美国国家航空航天局（NASA）的火星漫游者探测器上取下来的太阳能电池板，此后他们有了自己的设备：一个几平方毫米大小的半导体薄片，该薄片插入盛有稀释的蓄电池酸液的烧杯里，并用铂来催化。在阳光下，氢气的气泡从薄片的表面欢快地冒出来，携带了入射太阳能量的12%。然而，这里有一点困难，被释放出的氢气气泡与氧气相遇，是一种有潜在爆炸危险的混合物。该装置在工作了20小时之后，由于它的部件被氧化和腐蚀掉，便会自动停止；而另一种更为温和的系统里面加的是水而不是蓄电池液。用太阳能制氢可不便宜，每平方厘米芯片要1或2美元。Turner估计，约10倍的昂贵成本导致目前不能实现经济实惠制氢的目标 。类似的问题至今存在于所有的人工光合作用系统。Gamelin说：“你可以使用有三个特点的系统，该系统一是有效，二是便宜，三是结实。”Lewis说：“立即取得上述三项特点的系统是个问题。任取其中的两项，我可以做到。”

追加新资金的目标就是为了获得那第三个特点。2010年Lewis签约领导位于加州的一个新的人工光合作用联合中心，并获能源部1.2 2亿美元的基金资助。同年，Sun Catalytix——一个源于麻省理工学院致力于人工光合作用研究的化学家Dan Nocera的工作的公司——募集到950万美元，投资者包括印度企业集团塔塔（The Indian Conglomerate Tata）。其他研究团队，包括Turne和Gamelin的团队，也参与了这个研究项目。