模仿自然——人工光合作用作为一种能源

人工光合作用有着碳中和的优势，因为对于合成过程中从环境中耗费的碳，使用通过光合作用获得的燃料会将等量的碳归还到环境中。正因为如此，光合作用除了能产生能量外，人们还经常提出，这个过程对于从大气中除去过量二氧化碳至关重要。

人工叶，仿生叶

传统的太阳能发电利用太阳能电池来产生电，但是如果不立即使用能源，那就必须将它有效存储起来，否则会造成损失。事实证明，这是一个很大的问题。相反，人工光合作用的优势在于它的最终结果是一种稳定的化学物质，无论是碳水化合物还是其他东西，它可以将能量存储在化学键里，以在需要的时候用于产生能源。

所谓的人工叶或仿生叶，这些设备将产生可以直接作为能源使用（例如发电）的燃料。其他设备可以产生高能化合物，这是工业生产过程中十分重要的基础材料。否则，如果这些化学基础材料不是此过程的衍生物，要生产这些化学基础材料就需要来自其他资源的能量输入。

从自然中吸取能源

人工光合作用最有趣的一个方面就是，这些项目本质上是生物学家和物理科学家之间的合作。因为，起主导作用的通常是细菌。

在劳伦斯伯克力国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）化学家杨培东设计的一个方法中，使用通过纳米技术制造的专用导线来捕获太阳光并将其转换为运动的高能电子。这种导线可保护敏感细菌免受空气中有潜在危害的化学物质，而系统将电子转移给细菌，由细菌在适应的过程中产生化学物乙酸盐。这是许多工业过程中十分重要的一种高能化学基础材料。

纳米线由硅和氧化钛构成，每种物质分别吸收不同波长的太阳光线。使用的细菌是 Sporomusa ovata，这种细菌能够利用流动电子来分解二氧化碳。在这种情况下，使用纳米线而非生物有机体来捕捉电子。

在这个过程中，纳米线捕获的电子将水分解为分子氧和氢离子。在纳米线周围培养且与空气绝缘的细菌吸收了电子并将它们加入到 CO₂以生成前面提及的乙酸盐。最后一步是将乙酸盐转化为燃料（就像绿色植物所做的那样），或转化为其他有用的化合物。总反应是二氧化碳和水通过太阳能生成乙酸和水。多年以来，人们一直致力于通过单纯的电化学方法来实现这些目标和相似的结果。但都没有一种方法证明是可行的，而且人工光合作用只有通过使用细菌催化剂才有可能。

杨培东认为，重复该项目仅取得不到 1% 的太阳能转化效率，这与自然界中的绿色植物的效率一致。他希望能迅速将人工光合作用的转化率提高到 3%，并希望最终的 10% 转化率足够用于具商业利益的产品。还应该注意的是，系统中使用相似的纳米线发电的方式与如今大家熟知的太阳能电池发电相似。

生物工厂

人工光合作用还提供其他有趣的可能性。通过改变使用的细菌，除了生成碳水化合物或乙酸盐之外，还可生成不同的化学物质。或者，通过添加其他细菌催化剂，乙酸可以很容易地被转化为乙酰辅酶 A (Acetyl-CoA)。

图 1：美国劳伦斯伯克力国家实验室正在进行人工光合作用。（来源：美国劳伦斯伯克力国家实验室）

乙酰辅酶 A 是动物代谢中的一个主要因素，正如上图所描述的，它可以作为生成许多有用化合物的起点。

这开启了人工光合作用的另外一个可能性。即便在此之前，它已成为一种主要的燃料来源，同时也是 CO₂的重要吸收器，但是对于通过环境友好方式难以获得的一些化学物质，人工光合作用可能是一个有用的来源。

在哈佛大学的仿生叶项目中，将生成的作为中间产物的氢气供应给基因工程产生的 Ralstonia eutropha细菌，有该种细菌生成异丙醇作为最终产品。异丙醇是一种特别有趣的衍生物，因为它能以乙醇的形式用作燃料。

美国加州理工学院的氢气

加州理工学院人工光合作用联合中心的方法是使用两个分开的电极，产生氢气和氧气而不是产生一种复杂的化学物质。一个电极吸收并利用从太阳光线中吸取的能量，将水分解为质子、电子和氧气。另一个电极用于联合电子和质子生成氢气。唯一的问题就是，相同的混合物通常用于将火箭送入太空，因此，毫无疑问地说，存在爆炸危险，但可以通过使用一种膜来隔离两种气体以降低这种危险。

电极本身也有问题需要克服，其中主要的问题是，当电极暴露于水时，会生成一种干扰电极功能的“锈”。解决方案就是采用一种保护电极的氧化镍涂层。最重要的是，新的涂层并不会干扰膜保护已生成的氢气和氧气的功能。到目前为止，测试显示该系统如设计一样，将继续安全有效运行达数百个小时，而且期间不出现崩溃。

但是在不久的将来，这些方法中没有一种方法可以生产商业上可行的产品，这种观念现在已被证实。变得越来越清晰的是，我们现在可以选择从太阳光线中获取大量的能量，并将它安全有效地存储起来以备需要时使用，因此，我们获得另一种可行的能源方案也仅仅只是时间问题。