希望與挑戰并存的新能源——人工光合作用

材料牛注：你是否羨慕過植物光合作用的環保？抱怨周圍環境的污染嚴重？擔心能源枯竭？這都不是問題！日本科學家最新科研成果已經將人工光合作用不斷推向實用。

豐田中心研發實驗室利用半導體實現了全世界最高效的太陽能轉化。

隨著全球能源安全的壓力不斷增大，以及對比化石燃料更為清潔和安全的替代能源需求量的增加，科學家們逐漸把人工光合作用視為一種富有潛力的新能源。

這項技術是利用太陽光來產生清潔能源，諸如將二氧化碳和水轉換成氫和乙醇。然而，可以達到此目的途徑有很多，日本的研究人員之間也因此產生了分歧。

2012年，三菱化工執行官Toru Setoyama牽頭了一個為期十年的人工光合作用項目，這一項目由日本經濟、貿易和工業部聯合倡議。Setoyama作為本領域的專家，更加提倡使用氧化鈦作為光催化劑。

Setoyama表示，涂氧化鈦光催化劑的過程中會產生分離膜——能將水分解成氫和氧的一個核心成分。這一技術每平方米的估計成本僅為幾美元，所以Setoyama對此的激情是很容易理解。

他解釋道：“為了推動人工光合作用進入實用階段，我們應該只運用一種既能幫助我們降低生產成本，又能較容易的制造大量光催化劑的技術。而使用昂貴的半導體的方法則會適得其反”。

在與東京大學 和 toilet-maker Toto合作后，Setoyama成功實現了1.1%的太陽能轉化率，這超過了自然狀態下植物0.2%到0.3%的效率。他們計劃在該項目收官之年將這一比例提高到10%左右，以滿足啟動可行性測試的要求。

另一種方法是使用一系列半導體器件電解水并且合成例如甲酸和乙醇等的有用物質。由于需要昂貴的儀器，例如生產半導體的真空裝置，導致花費較大，這一方法的吸引力相對不足。而豐田中心研發實驗室以及松下和東芝，正在加緊對這一方法進行研究。

雖然這一技術的估價還未最終確定下來，但是Setoyama認為因其在制造硅基太陽能電池上的花銷，每平米的成本很難低于20,000 日元（約187美元），這種方法大概比使用光催化劑法貴100倍左右。

然而，豐田中心研發實驗室已經通過半導體方法取得了令人振奮的結果，即達成了4.6%的太陽能轉化率這一世界紀錄。公司的高級研究員Takeshi Morikawa承認：這一方法在成本上確實存在問題，以及在擴大人工光合作用方面面臨困難。但是他仍然頂住質疑聲繼續堅持這一方法。

Takeshi Morikawa表示:“我們已經將轉化率從2011年的0.04%提高到4.6%，并且從中積累了相當多的經驗。我們無法同意停止對半導體這一方法的研究。”

不同的方法，不同的用途。這兩種方法在使用方面有所不同。

Setoyama的研究團隊設想在一個類似于植物的大型化工裝置系統中利用人工光合作用生產大量的氫和乙烯——可以作為能源或者化工原料。相比之下，松下和東芝更希望建立一個較小的系統，它能很容易安放在排放二氧化碳的工廠和發電廠的附近。

2010年，普渡大學特聘教授Ei-ichi Negishi因其在交叉偶聯反應方面的研究而獲得諾貝爾獎。在研究中，他將鈀作為結合碳原子的催化劑。因其推動了人工光合作用的發展，這一領域的研究也得到政府的資金扶持。

在美國、歐洲以及韓國都啟動了相似的項目，但是日本人有自己獨特的方式；大學和公共科研機構以及私人公司進行合作。

東京都立大學教授Haruo Inoue是教育部牽頭的一個人工光合作用項目的負責人。他堅稱研究人員參與本領域外的討論是必要的。同時，他也在質疑早期研究就將科研重點集中到一種方法的做法是否妥當。 Inoue表示：“研究將繼續朝著將人工光合作用投入實用的方向進行，我們需要傳遞好這一接力棒。”

原文鏈接：The promising -- and divisive -- science of artificial photosynthesis

本文由編輯部封雷提供素材，王旗翻譯，黃超審核。