學術干貨 | 以楊培東教授工作為例—解析人工光合作用

一、背景介紹

隨著世界人口的增長和科技的進步，我們對燃料和各種化學品的需求越來越大，能源消耗越來越多，所以我們急需一種方法將地球上的可再生的儲存量巨大的原材料轉化為燃料或者化學品。

我們都知道光合作用是綠色植物利用葉綠素等光合色素和某些細菌，利用其細胞本身，在可見光的照射下，將二氧化碳和水轉化為儲存著能量的有機物，并釋放出氧氣的生化過程。自然的光合作用可以利用太陽光能量轉換CO₂，每年可以產生1150億噸的生物量，這大大促進了人工光合作用系統的發展。

二、原理

雖然固態半導體光吸收器比自然光合作用的光吸收效率高，但是人工的光激發催化劑不具備天然催化劑的高選擇性、低能耗、可自我復制、可自我修復的優異性能。為了結合人工光合作用和天然光合作用的優點，楊培東團隊將半導體納米線和不具備光合作用的細菌復合，得到一種生物-無機的雜化系統，在這個系統中，生物催化劑和半導體光照吸收器直接接觸。除此之外，他們還設計了兩步法來模擬自然的光合作用，用生物所能分解的納米線排列代替有機生物，從而合成想要的化學產品。這種材料科學和生物領域的結合把光吸收效率和催化活動的雙重要求分開來，從而提供了一種新方法在具有更廣合成能力的固體設備中進行高效的太陽能轉變。

楊培東團隊首先建立了一個獨立的太陽能系統，這個系統是由Si和TiO₂納米線作為光線捕捉單位來模擬Z型反應，用S.ovata細菌來作為催化劑，能夠有效地減少溫和條件（例如有氧環境、中性PH環境、溫度低于30℃）下的CO₂，并且在模擬燈光下照射超過200個小時可以產生乙酸，能量轉換效率高達0.38%，這和植物的光合作用能量轉換效率相當。

圖1：人工光合作用方法圖解

在這個人工光合作用系統中，用于減少CO₂的細菌直接和光敏感半導體接觸，這是微生物光電合成領域的首例，在傳統的微生物電合成中，微生物是不直接和光吸收設備接觸的。納米線-細菌混合物具有減少CO₂的高反應速率，納米線排列制造了一種局部的厭氧環境，這種環境可以允許微生物繼續在有氧環境（21%O₂）下減少CO₂，這對實際應用是十分重要的。最后，乙酸直接作為前驅體，通過乙酰輔酶A可以得到各種各樣的化學產品，包括功能化脂肪族化合物和芳香族化合物、脂類、烷烴類和一些復雜的自然產品。

圖2：人工光合作用在綠色化學中的作用

三、人工光合作用過程

（1）光電化學水分解
科學家們已經證實了，用納米線模塊制作的完整的系統可以進行水的光電分解。這個系統用Si和TiO₂納米線負載的催化劑作為獨立組分，模擬樹的形狀，能夠分解水分子，太陽能到燃料的轉換效率高達0.12%。

圖3：直接進行水分解的完整納米系統

（2）電化學方法減少CO₂
CO₂的轉變相對復雜，要求較高，這就需要催化劑來進行催化，目前科學家們研究較多的是用過渡金屬作為催化劑，例如Cu、Ag、Au、Sn等等，Au和Ag被廣泛認為是最具選擇性的、高活性的CO₂-CO催化劑，而Sn是催化效率最高的催化劑。

圖4：Au-Cu雙金屬系統中電化學方法減少CO₂的結構參數

（3）可再生H₂轉換為燃料和化學品
H2的轉換主要的問題是要找到儲存H₂的物質，研究者們通過將H₂和N₂合成為氨氣，從而再轉換為其他有用的化學物質，還可以將H₂和O₂合成為過氧化氫，繼而再轉化為其他化學品。最近，有研究者已經研究出了一種含有電解器的微型反應器，這種裝置可以大大提高H₂O₂的生產速率。

圖5：用納米晶體雙分子層串聯催化的設計

四、總結

隨著數十年研究者們對人工光合作用堅持不懈的研究，研究者們發展了高效的催化劑來進行轉換，太陽能轉變為燃料已經逐漸實現。雖然在這個領域已經取得了很大的進步，但還是存在一些挑戰，例如太陽能到燃料轉換的經濟可行性，催化劑的可選擇性等等，這都是我們需要繼續努力的方向。隨著人工光合作用的發展，我們會發現人工光合作用會逐漸成為所有化學品的核心。

參考文獻：
(1) Self-photosensitization of nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production;
(2) Nanowire?Bacteria Hybrids for Unassisted Solar Carbon Dioxide Fixation to Value-Added Chemicals;
(3) Artificial Photosynthesis for Sustainable Fuel and Chemical Production.

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