零碳科技：人造葉子利用太陽能將二氧化碳轉化為可持續燃料

化學工業是全球經濟的重要基石之一，生產各種商品——從藥品和化肥到塑料、油漆、電子產品、清潔劑和洗漱用品。如果想要建立一個循環、可持續的經濟，化學工業是一個必須解決的大而復雜的問題，必須想出辦法使這個重要行業去化石化。

劍橋大學的研究人員設計了一種太陽能“人造葉子”，可以模仿光合作用，以可持續的方式制造有價值的化學物質。他們的生物混合設備結合了有機半導體和酶，將二氧化碳和陽光高效轉化為甲酸鹽，為更綠色的化學工業鋪平了道路。

該研究發表在《焦耳》雜志上，文章標題為“Semi-artificial leaf interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis”。

甲酸鹽的價值

在繁多的化工商品中，甲酸以其獨特性質脫穎而出。它常溫常壓下為液體，便于儲存和運輸，且作為最簡單的一元羧酸，其應用廣泛。甲酸不僅是基本有機化工原料，還廣泛應用于農藥、皮革、染料、醫藥和橡膠等多個行業。

甲酸鹽的應用也極為廣泛。在畜牧業中，它可作為有效的食品防腐劑，幫助抑制細菌的生長。而在飼料行業，二甲酸鉀的崛起更是引人注目，被譽為“代替抗生素促進動物生長的首選飼料添加劑”，預示著其巨大的市場潛力。此外，甲酸鹽在化工領域也扮演著重要角色，作為C1建構模塊，它能夠催化還原特定官能團，如參與不飽和基團的氫化反應等。同時，甲酸鹽在制革、制藥工程、橡膠制造乃至鉆井行業中都有其獨特的用途。值得一提的是，甲酸鹽還具備作為清潔燃料的潛力，其氫質量分數達到4.4%，容積容量更是高達53g H2 L–1，能量密度超越了商用70 MPa儲氫罐，為直接甲酸鹽燃料電池提供了理想的液相儲氫介質。據資料預測，2025年甲酸鹽的市場容量有望達到8281億美元。

人造葉子

劍橋大學的研究人員的突破涉及一種混合設備，該設備將光吸收有機聚合物和細菌酶結合在一起，將陽光、水和二氧化碳轉化為甲酸鹽，甲酸鹽是一種清潔燃料，可以為額外的化學反應提供動力。根據《焦耳》雜志發表的研究結果，這標志著有機半導體首次在這種生物混合系統中充當光捕獲組件，為新一代環保人造樹葉鋪平了道路。

這種“半人造葉子”復制了光合作用，這是植物用來將陽光轉化為能量的自然過程，并且完全依靠自身力量運行。與以前依賴有毒或不穩定的光吸收劑的設計不同，這種新的生物混合模型使用無毒材料，運行效率更高，并且無需額外添加劑即可保持穩定。

在實驗室測試中，該團隊成功地利用陽光將二氧化碳轉化為甲酸鹽，然后直接將其應用于“多米諾骨牌”反應，合成了一種用于藥物的有價值的化合物，實現了高產量和純度。

運行中的半人工有機光電陰極（前視圖）

這個研究團隊專門研究人造樹葉的開發，這種樹葉可以在不依賴化石燃料的情況下將陽光轉化為碳基燃料和化學品。但他們早期的許多設計都依賴于合成催化劑或無機半導體，它們要么快速降解，要么浪費大部分太陽光譜，要么含有鉛等有毒元素。而新開發的設備結合了兩全其美的優點——有機半導體可調且無毒，而生物催化劑具有高度選擇性和效率。

技術概念圖

新設備將有機半導體與硫酸鹽還原細菌的酶集成在一起，將水分解成氫氣和氧氣，或將二氧化碳轉化為甲酸鹽。

研究人員還解決了一個長期存在的挑戰：大多數系統需要化學添加劑（稱為緩沖液）來保持酶的運行。這些會迅速分解并限制穩定性。通過將輔助酶碳酸酐酶嵌入多孔二氧化鈦結構中，研究人員使該系統能夠在簡單的碳酸氫鹽溶液（類似于蘇打水）中工作，而無需不可持續的添加劑。

OPV-BiVO4半人造樹葉結構示意圖

測試表明，人造葉子產生高電流，并在引導電子進入燃料制造反應方面達到了近乎完美的效率。該設備成功運行了超過 24 小時：是以前設計的兩倍多。研究人員希望進一步開發他們的設計，以延長設備的使用壽命并對其進行調整，使其能夠生產不同類型的化學產品。

一系列的研究已經證明，制造太陽能設備是可能的，這些設備不僅高效耐用，而且不含有毒或不可持續的成分，這可能成為未來生產綠色燃料和化學品的基本平臺。