植物将太阳能高效利用的能力长期以来一直引起科学家和技术人员的兴趣。阳光、水和二氧化碳的组合提供了它们生长、开花和结果所需的燃料。这是一个高效、无污染的系统。
现在，研究人员正在借鉴自然，为以太阳能叶子为重点的人工光合作用技术提供蓝图。这项技术仍处于萌芽阶段，可以利用二氧化碳、水和阳光生产乙醇和丙醇。产生的太阳能燃料可以用于驱动汽车、船只和机械设备。
剑桥大学化学系教授Erwin Reisner解释说：“人造太阳能叶子可以生成完全可再生、净碳零排放的燃料，可在广泛的行业和许多场景中使用。”他是一篇于2023年5月发表在《Nature Energy》上的关于该技术的主要作者。
太阳能叶子技术可以替代化石燃料，但也可以为创造新类型的有机化学品和在太空或其他星球上产生氧气奠定基础。剑桥大学高级博士后研究员Motiar Rahaman说：“这是一项非常多功能和潜力巨大的技术。”他是该论文的主要作者。
自然燃料技术
从空气中创造燃料的想法并不是特别新颖。早在20世纪70年代，研究人员就开始探索利用太阳能将水转化为由氢和氧等元素组成的燃料的方法。然而，生产这些燃料的成本以及改造基础设施以适应这些燃料的成本很高。
在过去的15年左右，研究人员还探索了仅使用太阳能将CO 2 和H 2 O转化为乙醇的想法。今天，“有几种人造叶子使用光催化剂直接附着在太阳能电池表面，”日本长野县信州大学特别合同教授Kazunari Domen说。他进行了关于纳米级太阳能半导体颗粒从水中产生氢氧的研究。
剑桥大学科学家的突破之处在于他们找到了一种能够在单一步骤中进行光合作用过程并产生高能量密度燃料的方法。Reisner说：“这是一个完全集成的装置。因此，它使这项技术更接近实际应用。”
人造叶子由光阴极和光阳极两部分组成。一侧是含有铜钯催化剂的钙钛矿太阳能电池，能够收集光线并将二氧化碳转化为多碳醇。另一侧是利用纳米结构的铋钒酸钡光催化剂作为光阳极，将水转化为氧气。
燃料可以立即燃烧，也可以储存在储罐中。Rahaman说，人工光合作用过程即使在弱阳光下也能正常工作。
这些叶子可以被制成几乎任何形状或大小，并编织成更大的阵列。这使得该技术非常适用于各种用途，包括车辆上、偏远地区以及太阳能电池板不可行或不具成本效益的地方。它还可以为木材、煤炭和其他脏燃料提供清洁的烹饪替代品。Reisner说：“每年有三到四百万人因为缺乏清洁燃料而死亡。”
然而，Reisner补充说，该技术并非旨在与传统太阳能竞争，传统太阳能将能量储存在电池中。他说：“它是一种完全互补的技术。”
太阳能增益
虽然太阳能叶子似乎有着光明的前景，但在技术达到商业化水平可能需要十年甚至更长时间。“在人造叶子可以实际应用之前，还有一些问题需要解决，但这项研究在科学水平上是一项一流的成就，”Domen说。
与氢技术相比，太阳能叶片生产的乙醇燃料具有一个重要优势，那就是现有基础设施可以以较低成本进行改造以适应乙醇燃料。Reisner说道：“储罐、管道和其他元素已经存在，并且只需要进行最小的改动以适应这些液体燃料。”
最终，Reisner设想了一大群人造叶片漂浮在水上，收集光能并生产燃料的场景。他说：“这解决了土地利用问题，并为在海洋和其他地点使用太阳发电设备打开了途径，包括用于水处理。”同样的技术也可以在月球或火星上的建筑结构中产生氧气，并且能够将塑料废物转化为能源。
目前，剑桥的研究人员正在研究加速人工光合作用过程的方法，该过程的速度与自然界中的光合作用相当。他们还在探索将该技术扩展到广泛使用的方法。Reisner说：“人工叶片和太阳能燃料可能引领通向更加便宜和可持续的未来的道路。”
Samuel Greengard 是一位位于美国奥勒冈州西林市的作者和记者。