雷锋网注：本文作者Vic，来自智社学术界。
太阳能对于人类来说并不是什么新鲜事，但是依靠光伏板产生的电力并不能满足我们所有的需求。 植物通过光合作用提供所需的能量并产生氧气。 然而，人类是否也能从大自然中摘取一片“绿叶”，为自己创造能源呢？ 我们来看看科学家们在这条路上的奋斗历程，以及中国学者杨培东的最新成果。 突然，梦想似乎照进了现实。
播下能量的种子
植物复杂的化学过程中的一个重要步骤是将水分解为氢气和氧气，这也是人工光合作用的核心问题。 从水中产生的氢气本身可以用作能源。 当然，如果目标产品是更高能量密度的碳氢燃料，例如甲烷和乙醇，那么这只是第一步。
早在20世纪70年代，日本学者Akira和Honda就已经从事这方面的工作。 在光照条件下，水可以在二氧化钛和铂电极的帮助下催化分解。 1973年石油危机的出现，许多年轻学者投身于人工光合作用的研究。
人工光合作用的简化图。 顶层薄膜吸收阳光、二氧化碳和水，同时释放氧气； 内膜中的特定分子有助于催化反应并产生燃料； 底层传输并保存燃料。 图片来源加州理工学院。
氢的承诺
随着石油价格下跌以及一些地区可再生能源研究资金的削减，第一次人工光合作用的繁荣迅速消退。 然而，坚持下来的学者们还是不负众望。 1998年，美国国家可再生能源实验室的约翰提出了一种效率为12.4%的水分解系统。 进入21世纪，环境保护和气候变化越来越受到人们的关注，更多的学者回归到绿色能源的研究行列。
研究的首要目标之一是寻找新材料来替代昂贵的铂电极。 科学家们尝试了镍和钼的硫化物，加州理工学院人工光合作用联合中心 (JCAP) 在尝试了数百种催化剂后，发现了一些可以与铂的性能相媲美的催化剂。 其中以钴钼化合物最好。 水的分解过程也与早期日本科学家的不同，用光代替了电。 当然，只有当电力来自太阳能电池时，这个过程才是清洁的。
此后，人们继续在这条道路上努力，澳大利亚莫纳什大学的学者甚至声称创建了一个最终效率接近30%的系统。 然而，绿色和效率只是一方面，成本问题同样重要。
目前工业上主要依靠甲烷蒸汽重整法制取氢气，这是一种高能耗但成本低的方法。 JCAP前负责人刘易斯估计，以这种方式生产氢气的成本约为每公斤2美元。 如果还算上传统的太阳能电池电力，每公斤约为5美元至7美元。 与目前的市场价格相比，新兴的制氢方法可能仍难以竞争。
当然，氢并不是最理想的燃料，因为世界上大多数现有基础设施都是为更高密度的能源消耗供应而建造的，例如汽油和天然气。 清洁氢气生产最直接的好处可能是它有助于氨肥的可持续生产。 然而，人们可能更愿意将氢视为一种辅助材料。 斯坦福大学教授詹斯说：“我认为氢可以作为增强其他事物的一种手段。”
绿色燃料
回到那个话题，如果我们以二氧化碳为原料，利用人造“绿叶”直接制造能量密度更高的燃料，效率会更高。 二氧化碳可以直接从发电厂收集，如果最终能转化为运输燃料或高价值化学品，这将是有意义的。
JCAP现任负责人Harry指出，甲醇和乙醇应该是不错的选择。 目前，乙醇已被用作燃料，并且也有非常有效的方法从甲醇生产汽油。 然而，即使直接生成这些简单的碳氢化合物也比分解水困难得多。
化学过程要复杂得多。 简介，分解一个水分子需要四个电子，而制造简单的甲烷（CH4）需要8个电子，每个电子具有不同的能量，这在制造单碳分子时会很麻烦。
叶子可以完成化学家在实验室中难以完成的事情：制造复杂的糖并产生其他有机分子。 神奇的大自然利用3D酶协调各组分，高效有序地实现各种中间反应和电子转移。 这些精致的天然催化剂在能量流动过程中犹如昙花一现。 它们很快就会被破坏，然后重建并随时被植物细胞取代。 相比之下，人造催化剂需要具有自愈能力，或者具有高强度和耐久性。 设计具有这种能力的催化剂是一项艰巨的挑战。
也许制造人造叶子的最大挑战是创造类似植物的酶。 天然蛋白质能够生产复杂的产品，例如纯甲烷。 合成催化剂可能很难做到这一点，而且它们常常会产生许多意想不到的产物。 面对各种各样的问题，科学家们该怎么办？
寻找另一种让细菌完成工作的方法
加州大学伯克利分校的实验室里有一个不起眼的坦克——它正在试图创造终极的绿色燃料。 该设备装有纳米线电极和细菌群落，其生产清洁能源的公式非常简单：
阳光 + 水 + 二氧化碳 = 甲烷
这就是杨培东魔盒的内容，他将用它来制造醋酸、丁醇等更复杂的产品。
今年5月刚刚当选美国科学院院士的世界顶级纳米材料科学家杨培东也从事“人工光合作用”的研究。 然而，他却选择了另一条路。 与其苦苦寻找巧妙的催化剂，他还不如借教条、借用。 大自然之手创造魔法。
从太阳能到化学能的生物无机转化途径，图片来源 PNAS
两年前，杨培东就已经证明了半导体纳米线概念的正确性。 相比之下，这种高表面积材料吸收更多的光并捕获更多的催化剂。
这次，针对固碳这一难题，他选择使用巴氏甲烷八叠球菌（ ）作为“活催化剂”。 实验过程中，阳极一如既往地将水分解为氧离子和氢离子； 在另一端，氢离子与电子相互作用产生氢气并溶解在水中。 不同的是，半导体纳米线吸收光后，将电子传递给细菌，然后或与二氧化碳结合产生甲烷。 整个过程非常高效：电解水产生的电子 86% 用于产生甲烷的反应。 从水中出现的甲烷气泡被收集并储存。
实验装置A. 阳极电池 B． 阴极电池 C. 阳极电源 D． 参比电极 e． 搅拌二氧化碳溶液f． 连接气相色谱仪（GC）进行采样和检测 g． 用于人工气体注入/采样的密封口。 图片来源PNAS
这是一种将太阳能、二氧化碳和水直接转化为化学能的可行途径，其转化效率与真实植物相当。 或许现在谈论商业化还为时过早，但回顾人类对细菌的各种用途，杨培东提出的新方法极具进一步探索的价值。 用他的话说：
我们的最终目标是将太阳能、水和二氧化碳转化为燃料。 我们还需要做一些更大的事情，从一个碳到两个、三个和四个碳。
杨培东，1971年出生，美籍华人化学家、材料科学家。 2011年汤森路透百强材料科学家中排名第一。 2015年获得麦克阿瑟奖，2016年5月当选美国国家科学院院士。现任加州大学伯克利分校化学与材料科学双聘教授，美国科学院院士。艺术与科学学院。 因其在半导体纳米线和纳米线光子学研究领域的杰出贡献而获奖。 麦克阿瑟基金会在对杨培东获奖的评价中表示，在过去的十年里，从研制第一台纳米线激光器到设计纳米线太阳能电池，杨培东领导的团队在纳米线光子学研究领域取得了许多成果。 重大突破。
参考
消息 ：
到太阳能到
杨培东专访：开拓新领域才有原创发现