近年來，能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴重，太陽能無疑是清潔能源和可持續(xù)能源的首選。科學家一直致力于人工光合作用研究，希望通過CO2還原，將太陽能轉化為生物質、燃料等有用的化學品。
人工光合作用至少存在以下3個問題：
1）光合作用效率較低。植物光合作用儲存其吸收的太陽能只有大約1%，目前人工光合作用水平只是在此基礎上提高了幾成功力而已。
2）毒性與生物兼容性問題。
3）厭氧環(huán)境的限制。
雖然，總有這樣那樣的問題，但是，科學家嘛，就是喜歡挑戰(zhàn)極限，攻克一個又一個難關，直到最終實現(xiàn)理想中的目標。難道，這就是傳說中的樂在其中嗎？
這不，今日凌晨，Science報道了Liu等人關于人工光合作用的最新里程碑式重大進展。研究人員開發(fā)了一種基于重組菌（Ralstonia eutropha）和Co-P合金水裂解催化劑的新型人工光合作用系統(tǒng)，成功實現(xiàn)利用太陽能將CO2和H2O高效轉化為商用化學品。
圖1. 具有較好生物兼容性的水裂解催化劑
Co-P無機材料在地球上富含豐富，且具有良好的生物兼容性。一方面，Co-P合金催化劑可在較低驅動電壓下裂解水，產(chǎn)生H2和O2。另一方面，具有氧化氫氣功能的細菌消耗掉H2，并在O2存在的條件下，將較低濃度的CO2轉化為生物質和燃料，或者其他化學產(chǎn)品。
圖2. CO2和H2O高效選擇性轉化位商業(yè)化學品
這種具有生物兼容性的自修復電極有效避免了前人研究的人工光合作用系統(tǒng)中的毒性問題，從而可以在開放的有氧環(huán)境中操作。
在電能驅動生產(chǎn)細菌生物質和液體醇燃料體系中， CO2還原的能量效率約為50%，每1 KWh電量可消耗掉180 g CO2。將該系統(tǒng)用于現(xiàn)有的太陽能光伏器件中，在不需要電的情況下，其CO2還原能量效率最高可達約10%，比自然界植物光合作用提高了近一個數(shù)量級！
圖3. 牛哄哄的CO2能量轉化效率
為了滿足大家的好奇心，下面來介紹一下這項工作的來龍去脈！
話說那是2011年的某一天，哦，好吧，或者某幾天，哈佛大學的Dan Nocera教授發(fā)明了一種人工樹葉，可通過光解水產(chǎn)生O2和H2。H2在燃料電池中跑來跑去，然后就產(chǎn)生了電能。但是這個能量密度實在是太低了：由于其處于蒸汽狀態(tài)，任何燃料的生產(chǎn)都需要很大的儲罐或者高壓壓縮。
我勒個去，這可咋辦呢？不要擔心，另外的一些研究團隊就開始接力了。他們將H2和CO2中的C結合起來，用于制備高能量密度的液態(tài)碳氫化合物。
根據(jù)這些研究成果，2015年， Nocera團隊發(fā)明了一種基于細菌和電的復合體系，將水裂解產(chǎn)生的H2和CO2中的C結合在一起，成功制備得到了異丙醇。這種方案有一個問題，就是其采用超高電壓，使得產(chǎn)生的活性氧分子更少，并且大大降低了電能轉化為化學能的效率，其系統(tǒng)轉化效率僅為3.2%。
有鑒于此，Nocera及其合作者如今將Ni催化劑替換為Co-P合金催化劑，從而避免活性氧物種的產(chǎn)生，使得操作電壓大大降低，能量轉化效率大大提高。
這個故事再一次告訴我們，Science這種東西，從來就不是一蹴而就的。即便如此，要想取代石油的霸主地位，太陽能依然任重而道遠。不過，古話說得好，不想取代石油的太陽能，不是好異丙醇。所以，問題就來了，這項工作還存在哪些問題需要解決，才能往前邁一步、兩步或者更多步呢？歡迎大家留言討論！
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