学术干货 | 以杨培东教授工作为例—解析人工光合作用

一、背景介绍

随着世界人口的增长和科技的进步，我们对燃料和各种化学品的需求越来越大，能源消耗越来越多，所以我们急需一种方法将地球上的可再生的储存量巨大的原材料转化为燃料或者化学品。

我们都知道光合作用是绿色植物利用叶绿素等光合色素和某些细菌，利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为储存着能量的有机物，并释放出氧气的生化过程。自然的光合作用可以利用太阳光能量转换CO₂，每年可以产生1150亿吨的生物量，这大大促进了人工光合作用系统的发展。

二、原理

虽然固态半导体光吸收器比自然光合作用的光吸收效率高，但是人工的光激发催化剂不具备天然催化剂的高选择性、低能耗、可自我复制、可自我修复的优异性能。为了结合人工光合作用和天然光合作用的优点，杨培东团队将半导体纳米线和不具备光合作用的细菌复合，得到一种生物-无机的杂化系统，在这个系统中，生物催化剂和半导体光照吸收器直接接触。除此之外，他们还设计了两步法来模拟自然的光合作用，用生物所能分解的纳米线排列代替有机生物，从而合成想要的化学产品。这种材料科学和生物领域的结合把光吸收效率和催化活动的双重要求分开来，从而提供了一种新方法在具有更广合成能力的固体设备中进行高效的太阳能转变。

杨培东团队首先建立了一个独立的太阳能系统，这个系统是由Si和TiO₂纳米线作为光线捕捉单位来模拟Z型反应，用S.ovata细菌来作为催化剂，能够有效地减少温和条件（例如有氧环境、中性PH环境、温度低于30℃）下的CO₂，并且在模拟灯光下照射超过200个小时可以产生乙酸，能量转换效率高达0.38%，这和植物的光合作用能量转换效率相当。

图1：人工光合作用方法图解

在这个人工光合作用系统中，用于减少CO₂的细菌直接和光敏感半导体接触，这是微生物光电合成领域的首例，在传统的微生物电合成中，微生物是不直接和光吸收设备接触的。纳米线-细菌混合物具有减少CO₂的高反应速率，纳米线排列制造了一种局部的厌氧环境，这种环境可以允许微生物继续在有氧环境（21%O₂）下减少CO₂，这对实际应用是十分重要的。最后，乙酸直接作为前驱体，通过乙酰辅酶A可以得到各种各样的化学产品，包括功能化脂肪族化合物和芳香族化合物、脂类、烷烃类和一些复杂的自然产品。

图2：人工光合作用在绿色化学中的作用

三、人工光合作用过程

（1）光电化学水分解
科学家们已经证实了，用纳米线模块制作的完整的系统可以进行水的光电分解。这个系统用Si和TiO₂纳米线负载的催化剂作为独立组分，模拟树的形状，能够分解水分子，太阳能到燃料的转换效率高达0.12%。

图3：直接进行水分解的完整纳米系统

（2）电化学方法减少CO₂
CO₂的转变相对复杂，要求较高，这就需要催化剂来进行催化，目前科学家们研究较多的是用过渡金属作为催化剂，例如Cu、Ag、Au、Sn等等，Au和Ag被广泛认为是最具选择性的、高活性的CO₂-CO催化剂，而Sn是催化效率最高的催化剂。

图4：Au-Cu双金属系统中电化学方法减少CO₂的结构参数

（3）可再生H₂转换为燃料和化学品
H2的转换主要的问题是要找到储存H₂的物质，研究者们通过将H₂和N₂合成为氨气，从而再转换为其他有用的化学物质，还可以将H₂和O₂合成为过氧化氢，继而再转化为其他化学品。最近，有研究者已经研究出了一种含有电解器的微型反应器，这种装置可以大大提高H₂O₂的生产速率。

图5：用纳米晶体双分子层串联催化的设计

四、总结

随着数十年研究者们对人工光合作用坚持不懈的研究，研究者们发展了高效的催化剂来进行转换，太阳能转变为燃料已经逐渐实现。虽然在这个领域已经取得了很大的进步，但还是存在一些挑战，例如太阳能到燃料转换的经济可行性，催化剂的可选择性等等，这都是我们需要继续努力的方向。随着人工光合作用的发展，我们会发现人工光合作用会逐渐成为所有化学品的核心。

参考文献：
(1) Self-photosensitization of nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production;
(2) Nanowire−Bacteria Hybrids for Unassisted Solar Carbon Dioxide Fixation to Value-Added Chemicals;
(3) Artificial Photosynthesis for Sustainable Fuel and Chemical Production.

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