人工光学作用可用于产生可再生氢分子，而后利用氢分子将二氧化碳合成甲烷。




太阳能“化工厂”
伯克利实验室材料学部化学家、研究领导人之一的杨培东表示：“这项研究代表着太阳能-化学能转化效率和人工光学作用领域的另一项关键突破。如果我们的系统能够与先进的太阳能电池板和电解剂结合在一起，通过产生可再生氢并将其‘喂’给微生物以生产甲烷，我们认为可以让电能-化学能转化率超过50%，让太阳能-化学能转化率达到10%。”



除了伯克利实验室外，杨培东还在加州大学伯克利分校和伯克利的卡弗利纳米科学研究所任职，也是阐述这项研究的论文《一种用于太阳能-化学能转化的混合生物无机方式》的三位通讯作者之一。这篇论文发表在《美国国家科学院院刊》上，另外两位通讯作者是克里斯托弗·张和米歇尔·张，两人与杨是同事。




伯克利实验室人工光学作用系统的主要研发者，从左至右分别是杨培东、克里斯托弗·张和米歇尔·张。他们研发的系统仅利用水和阳光便可将二氧化碳转化成宝贵的化学品。



人工光合作用
光合作用是一个自然过程：大自然从阳光中获取能量，利用太阳能将二氧化碳和水合成碳水化合物。碳水化合物这种生物分子存储着活细胞所需的化学能。在伯克利实验室研究小组最初研制的混合人工光合作用系统中，一个由硅和氧化钛纳米线构成的阵列负责收集太阳能，将电子传递给微生物，后者利用电子将二氧化碳转化成一系列拥有附加值的化学品。在新研制的系统中，太阳能用于将水分子分解成氧分子和氢分子，氢随后传输给微生物，后者利用氢将二氧化碳转化成一种特定的化学品——甲烷。


克里斯托弗表示：“在最新进行的研究中，我们取得了两项重要进步。首先，我们利用可再生氢固定二氧化碳，开启了利用来自任何可持续能源的氢的可能性，包括风能、热液能以及核能在内。其次，我们验证了一种具有发展前景的生物，可有效利用可再生氢。现在，我们可以利用合成生物学技术将这一系统扩展到其他生物以及其他拥有附加值的化学品上。”



小小的菌，大大的梦想
这两项研究均采用可利用太阳能的半导纳米线膜，膜上布满细菌，可利用这种能量产生特定的碳基化学物。在新研究中，半导纳米线膜由磷化铟光阴极和二氧化钛光阳极构成。第一项研究中，研究小组采用了厌氧菌Sporomusa ovata。这种细菌可以接受周围环境中的电子，用于转化二氧化碳。新研究中，研究小组采用了厌氧古菌Methanosarcina barkeri，利用氢而不是电子转化二氧化碳。米歇尔指出：“利用氢而不是电子作为载能体能够实现一个效率更高的转化过程，因为氢分子借助自身的化学键，拥有更高的能量存储和传递密度。”




人工光学作用研究取得重大进步对环境来说无疑是一种双赢——既减少了空气中的二氧化碳，同时又能实现“绿色化学”，包括生产可再生燃料。


在伯克利实验室研究小组研制的新膜中，太阳能被吸收后通过析氢反应从水中析出氢，产生的氢随后被膜中的厌氧古菌Methanosarcina barkeri直接利用，产生甲烷。


克里斯托弗表示：“我们之所以将甲烷作为首要目标是因为产品分离过程的便利性，以及利用合成催化剂直接将二氧化碳转化成甲烷的这一事实。实践早已证明，这种转化是一项令人敬畏的挑战。目前，我们使用的甲烷大部分仍来自于天然气。天然气是一种化学燃料，通常利用水力压裂方式开采。从这个意义上说，利用一种可再生氢源产生甲烷无疑是另一项重要进步。”




该项研究提供了一种环境双赢模式：利用隔离二氧化碳的太阳能绿色化工。通过这种方式，伯克利小组在模拟阳光下实现的太阳能转化效率为0.38%，持续约200小时，与自然界中的树叶相仿。“目前我们正在研究第二代系统，把从太阳能到化学产品的转化效率提高到3%，”杨说，“等我们在成本效益上达到了10%的转化率，把这一技术推向商业化就切实可行了。


那么问题来了，
有没有可能某一天，
人造植物可以完全取代自然植物呢？