人工光合作用与绿色能源

近些年，环境污染与能源枯竭成为全世界的头等难题，一方面人类工业文明对煤炭、石油等化石能源的需求日益增大，导致这些资源日渐枯竭；另一方面，化石能源的使用还会导致气候变暖和环境污染，已严重威胁人们的生存。这两方面彼此关联，相辅相成，只要解决其中一个，另一个也就迎刃而解。寻求高效清洁的可再生能源成为世界科学家的共同课题，而其中太阳能又以其长寿、无限、大功率、无公害、可现场获得等优点而倍受青睐。

　　目前我们所使用的化石燃料几乎都是远古的植物以还原碳元素的形式固定下来的，因为有了植物这个载体，在燃烧时势必会产生废气、废渣等大量有毒物质以及随之而来的温室效应、臭氧层破坏等。另外，人类对太阳能的利用率很低，即使是转化效率较高的硅太阳电池也由于其获得电能的价格远远高于常规方法而不能大规模市场化。大家也许不知道，只要阳光照射地面1小时，就可产生满足所有人类1年所需的能量。一方面是日益紧迫的新能源开发需求；另一方面是现成的太阳能无法有效利用。这种种困境和矛盾促使科学家寻找更加可行的方法利用太阳能。其实，有一种方法就在我们身边，天天都在进行，大自然早就给我们做出了标准而高效的光转化作用模式，那就是——光合作用。

　　

　　光合作用的奥秘

　　

　　光合作用广泛存在于自然界，以绿色植物、海藻和蓝细菌等为依托，借助太阳光，通过叶绿体收集太阳光能，将二氧化碳和水转化成富有能量的有机化合物，并释放出氧气。其中最为关键的一步是由光驱动将水分子裂解为氧气、氢离子和电子的反应，这一反应向地球上所有复杂的生命提供能量和氧气，可以说是光合作用的核心。绿色植物依靠这一反应实现了地球上最成功的光转化机制——原初光能转换过程的量子效率几乎是100％。

　　然而，物种进化的伟大成就也成为了科学家几乎不可逾越的屏障。早在上世纪70年代初，科学家就开始尝试模拟光合作用储存太阳能，其中最为关键的那一步电解水，其实也早已能够实现，但却是在化学条件下，需要高温及强碱的苛刻条件，反应中使用的催化剂也是铂等贵重金属，还要给予足够高的能量，这一能量几乎能够摧毁任何生物分子。而且，得到能源的成本是天然气的10倍，汽油的3倍。反观我们身边的那些植物，它们在25亿年前就找到了利用太阳光高效分解水的方法，每一天都在悠闲自得地完成这一看起来不可能完成的任务，而这其中的奥秘一度困扰着各国的科学家。人工光合作用

　　比起植物，人工电解水的核心问题就在于缺少像叶绿体那样有效地电解水的媒介。最近，一些科学家在这一领域取得了重要的突破。

　　美国麻省理工学院化学系的科学家诺塞拉和卡南成功完成了人工模拟光合作用研究，其最新研究结果已发表于著名的《科学》杂志。他们的突破之处在于将铟-锡氧化物做成电极，放置于钴离子和磷酸钾的水溶液中。通俗地说，就是以钴和磷为原料制造出了可在室温下促成水分解的催化剂。

　　在这项研究中，实验人员首先利用放置在水中的钴金属、磷以及铟-锡氧化物做成的电极建立了新型的催化装置，依靠外来能源(比如太阳光能、风能等)产生的电流，流经电极以及钴和磷酸构成的催化剂，利用钴和磷的催化作用，使水生产出氢气和氧气，并在两极收集。这一过程与光合作用非常相似，特别是利用太阳能作为电能的产生来源这一点。氢气和氧气可以直接用来燃烧供能，无污染。而且，氢气和氧气组合产生的能量可以贮存在质子交换膜燃料电池中，实现白天和晚上不间断地供电。

　　相对于现有的昂贵并且条件苛刻的水解反应，新的人工光合作用的整个过程在pH值是中性的环境和室温条件下就可以很容易地实现，使用的材料也都廉价易得，更适宜工业化生产。因此，不论是研究者还是同领域的专家都对这一结果抱以很高的期望与赞赏，麻省理工学院的这两位科学家认为：

　　“这是我们期待了多年的愿望。一直以来，太阳能只能作为有限的能源供人类使用，工业化和产业化遥不可及。在不久的将来，我们把太阳能作为无限量能源的来源，就能实现了。”而伦敦皇家学院的一位生物学教授作为光合作用研究领域的领军人物，也认为“这是一项重大的发现，它将对人类未来的繁荣昌盛起到巨大的影响。这项发现的重要性是不容忽视的。因为它打开了能源开发新技术的大门，从而提供减少人类对化石燃料的依赖以及应对全球气候变化的手段。这项发现是朝着清洁、无碳能源方向发展的里程碑。”

　　虽然只是一个开端，还有更多的事情需要继续深入研究，但这一研究意义非凡，很可能在工业技术中引发一场能源革命。如果研究进行得顺利，10年内，家庭用户就能够通过这一装置享受日光的能量。

　　

　　人工叶计划

　　

　　与这个研究相似，英国在太阳能领域正式启动了“人工叶”项目的研究。顾名思义，所谓“人工叶”就是模拟天然绿叶的光合作用，创造出一个与之相似的人工系统，产生清洁燃料氢和甲醇，作为燃料为汽车等工业提供能量。

　　项目研究人员希望通过此项研究，可以使人工叶像植物一样，在常规的条件下，就能够从水中分离出氢气，从而彻底告别以往那些昂贵的操作手段并且没有繁杂工艺的要求。这个操作如果真的能够实现，那将是未来最可行的方案之一。人工叶作为一种原料，由它所获得的氢气，既可用于制造燃料电池，成为新一代无污染的高能燃料，又可以结合二氧化碳产生甲醇，逐渐减少人们对石油的依赖与使用。因此，氢气高效率、低污染、可流动等特点都深深吸引着科研人员寻找有效的电解水的方式。

　　人工叶的项目和麻省理工学院的模拟人工光合作用研究都是致力于解决将水转化为有机物并释放氢气和氧气的这一过程，建立一种像自然界绿叶一样的人工叶，甚至比它更优化的装置，成为高效的太阳能转化设备。但是，研究的过程是非常艰辛的，而且也有非常大的挑战性。在这个过程中研究人员做过多种试验，比如他们曾尝试以其他原料作为催化剂，虽然也能催化水解反应，但效果却并不像起初期望的那样，只有通过多次实验，向其中添加其他物质，才能够期望催化效率能够提高。

　　人工叶项目研究的重点之一就是探求哪些蛋白质参与推动了光合作用——目前已知有两组参与了光合作用，分别被称为光合系统Ⅰ和光合系统Ⅱ，后者包含着使水分解的结构，科学家们希望以此为研究的突破点，他们采用一种被称为X光结晶工艺的光分散技术来分析光合系统Ⅱ在1／10¹⁰米层次上的组织结构，并最终观察到了微观清晰的结构，这一发现对掌握水的分解原理有非常大的帮助。另外，已经有科研小组尝试通过基因工程的手段来合成类似的自组装蛋白。现在这项研究遭遇的更大挑战是设计出一个完善的人工系统，甚至是借此找到办法将光合作用扩大到工业生产的规模。

　　地球每年经光合作用产生的物质有1730亿～2200亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10～20倍，但目前的利用率不到3％。麻省理工学院的一位化学家计算，倘若人工叶目标得以实现，一片人工叶只需分解数公升水，便可满足一户家庭一天的能量所需。人工叶计划适合在日照充分并且无人居住的沙漠地区大规模地推广，再通过光缆等设备输送到其他地方，这样就完全避免了占据耕地或与人抢地的矛盾，更具有实际的意义。

　　

　　展望

　　

　　人工模拟光合作用是当前面对世界资源消耗、环境污染等难题所提出的一个极具吸引力的解决方案。

　　放眼全球，还有很多国家都投入大量的人力、财力准备积极攻克这一难题，如美国正准备批准一项研究，经费约为3500万美元；荷兰方面的此类研究也高达4000万荷兰盾。都是为了鼓励科研人员加大对太阳能利用的投入和热情。

　　倘若人工模拟光合作用真正得以实现，地球上13.6亿立方千米的水资源将转变成一个用之不竭的能源宝库，只需要利用其中的一小部分，便能够满足全球对新型环保能源的迫切需求。

　　

　　[责任编辑]　赵柠