希望与挑战并存的新能源——人工光合作用

材料牛注：你是否羡慕过植物光合作用的环保？抱怨周围环境的污染严重？担心能源枯竭？这都不是问题！日本科学家最新科研成果已经将人工光合作用不断推向实用。

丰田中心研发实验室利用半导体实现了全世界最高效的太阳能转化。

随着全球能源安全的压力不断增大，以及对比化石燃料更为清洁和安全的替代能源需求量的增加，科学家们逐渐把人工光合作用视为一种富有潜力的新能源。

这项技术是利用太阳光来产生清洁能源，诸如将二氧化碳和水转换成氢和乙醇。然而，可以达到此目的途径有很多，日本的研究人员之间也因此产生了分歧。

2012年，三菱化工执行官Toru Setoyama牵头了一个为期十年的人工光合作用项目，这一项目由日本经济、贸易和工业部联合倡议。Setoyama作为本领域的专家，更加提倡使用氧化钛作为光催化剂。

Setoyama表示，涂氧化钛光催化剂的过程中会产生分离膜——能将水分解成氢和氧的一个核心成分。这一技术每平方米的估计成本仅为几美元，所以Setoyama对此的激情是很容易理解。

他解释道：“为了推动人工光合作用进入实用阶段，我们应该只运用一种既能帮助我们降低生产成本，又能较容易的制造大量光催化剂的技术。而使用昂贵的半导体的方法则会适得其反”。

在与东京大学 和 toilet-maker Toto合作后，Setoyama成功实现了1.1%的太阳能转化率，这超过了自然状态下植物0.2%到0.3%的效率。他们计划在该项目收官之年将这一比例提高到10%左右，以满足启动可行性测试的要求。

另一种方法是使用一系列半导体器件电解水并且合成例如甲酸和乙醇等的有用物质。由于需要昂贵的仪器，例如生产半导体的真空装置，导致花费较大，这一方法的吸引力相对不足。而丰田中心研发实验室以及松下和东芝，正在加紧对这一方法进行研究。

虽然这一技术的估价还未最终确定下来，但是Setoyama认为因其在制造硅基太阳能电池上的花销，每平米的成本很难低于20,000 日元（约187美元），这种方法大概比使用光催化剂法贵100倍左右。

然而，丰田中心研发实验室已经通过半导体方法取得了令人振奋的结果，即达成了4.6%的太阳能转化率这一世界纪录。公司的高级研究员Takeshi Morikawa承认：这一方法在成本上确实存在问题，以及在扩大人工光合作用方面面临困难。但是他仍然顶住质疑声继续坚持这一方法。

Takeshi Morikawa表示:“我们已经将转化率从2011年的0.04%提高到4.6%，并且从中积累了相当多的经验。我们无法同意停止对半导体这一方法的研究。”

不同的方法，不同的用途。这两种方法在使用方面有所不同。

Setoyama的研究团队设想在一个类似于植物的大型化工装置系统中利用人工光合作用生产大量的氢和乙烯——可以作为能源或者化工原料。相比之下，松下和东芝更希望建立一个较小的系统，它能很容易安放在排放二氧化碳的工厂和发电厂的附近。

2010年，普渡大学特聘教授Ei-ichi Negishi因其在交叉偶联反应方面的研究而获得诺贝尔奖。在研究中，他将钯作为结合碳原子的催化剂。因其推动了人工光合作用的发展，这一领域的研究也得到政府的资金扶持。

在美国、欧洲以及韩国都启动了相似的项目，但是日本人有自己独特的方式；大学和公共科研机构以及私人公司进行合作。

东京都立大学教授Haruo Inoue是教育部牵头的一个人工光合作用项目的负责人。他坚称研究人员参与本领域外的讨论是必要的。同时，他也在质疑早期研究就将科研重点集中到一种方法的做法是否妥当。 Inoue表示：“研究将继续朝着将人工光合作用投入实用的方向进行，我们需要传递好这一接力棒。”

原文链接：The promising -- and divisive -- science of artificial photosynthesis

本文由编辑部封雷提供素材，王旗翻译，黄超审核。