出品| 新浪科技《科學(xué)大家》、墨子沙龍

　　撰文| 楊培東 美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院院士、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，加州大學(xué)伯克利分校教授

　　二氧化碳+水+陽(yáng)光=碳水化合物+氧氣，碳水化合物是人類(lèi)所需要的一些重要的化學(xué)品。從能量轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)的角度看，就是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，儲(chǔ)存在化學(xué)品當(dāng)中。

　　能源與環(huán)境危機(jī)威脅人類(lèi)生存

　　為什么要把二氧化碳轉(zhuǎn)化成有用的化學(xué)品？過(guò)去一百多年來(lái)，在人類(lèi)工業(yè)化進(jìn)程當(dāng)中，人類(lèi)利用了大量能源，而能源的主要來(lái)源是化石燃料�，F(xiàn)在全人類(lèi)在地球上的能量總消耗大約15太瓦，1太瓦是10的12次方瓦特，80%-90%都源于化石燃料。

　　在過(guò)去一百年當(dāng)中，二氧化碳的濃度一直在上升，目前二氧化碳的濃度是410PPM（PPM是百萬(wàn)分率）。這個(gè)濃度從數(shù)量來(lái)說(shuō)很小，但它對(duì)全人類(lèi)的生存環(huán)境有重大影響。二氧化碳濃度在增加，涉及到全球暖化，海平面上升，環(huán)境污染、水污染、空氣污染等一系列的問(wèn)題，這意味著在接下來(lái)的幾十年或者一百年當(dāng)中，人類(lèi)生存的環(huán)境將有重大轉(zhuǎn)折。

　　現(xiàn)在科學(xué)界在全球暖化的問(wèn)題上有兩種預(yù)期。一個(gè)預(yù)期是，在本世紀(jì)末——也就是2100年的時(shí)候，全球氣候溫度的提高控制在2℃左右，那么到時(shí)陸家嘴還是陸家嘴。但如果還像過(guò)去一百年那樣，大量利用化學(xué)能源，就會(huì)導(dǎo)致另外一個(gè)預(yù)期的情形——在2100年的時(shí)候全球平均溫度提高4℃，海平面上升引起的洪水，會(huì)淹沒(méi)一部分沿海城市，上海、紐約、舊金山、倫敦，都難以幸免。

　　可再生能源：從根本上解決全球變暖問(wèn)題

　　怎樣才能夠從根本上改變?nèi)�人�?lèi)生存的能源結(jié)構(gòu)呢？人類(lèi)不可能永遠(yuǎn)依賴化石燃料，應(yīng)該更注重可再生能源的利用。中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常迅速，所用的能量——電力一直在增加，接下來(lái)印度也會(huì)是這樣，非洲也會(huì)是這樣。所以全人類(lèi)對(duì)能源的要求非常多，如果一直依賴于化石燃料，二氧化碳排放的問(wèn)題只會(huì)越來(lái)越糟糕。從全社會(huì)角度來(lái)看，各個(gè)方面都必須要利用可再生能源。

　　可再生能源一般包括太陽(yáng)能，風(fēng)能，水能等。太陽(yáng)能電池是生活中經(jīng)常遇到的一種從太陽(yáng)能到電能的轉(zhuǎn)化。要在太瓦級(jí)（10的12次方瓦特）的層面上解決能源轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)問(wèn)題是一個(gè)非常困難的事情。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，2016年中國(guó)能源架構(gòu)大部分都是煤，煤的消費(fèi)比重占了60%，剩下的是核能、水能、風(fēng)能，太陽(yáng)能消費(fèi)比重僅是5%。雖然太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)明了有六七十年，但是它對(duì)整個(gè)能源工業(yè)界的滲透至今還是比較微小。到21世紀(jì)40年代，可以預(yù)見(jiàn)太陽(yáng)能消費(fèi)比重將加倍。在國(guó)家政策引導(dǎo)下，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大規(guī)模利用水能、太陽(yáng)能、風(fēng)能將成為可能。這樣可以在2040年把煤的比重降低到30%，剩下的由太陽(yáng)能、風(fēng)能和水能補(bǔ)充。所以要想從根本上解決全球變暖的問(wèn)題，就要大規(guī)模利用這些可再生能源。

　　怎樣真正在太瓦級(jí)層面應(yīng)用可再生能源？從太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的角度來(lái)看，用太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化成電能，必須要有一個(gè)龐大的電池系統(tǒng)儲(chǔ)存這些電能。在加州太陽(yáng)能相當(dāng)普及，但是存儲(chǔ)上面有問(wèn)題。太陽(yáng)能白天發(fā)電，但電網(wǎng)不能支撐，晚上用電有的時(shí)候反而沒(méi)電，非常不穩(wěn)定。很多時(shí)候會(huì)把一些免費(fèi)的太陽(yáng)能向周邊的地區(qū)輸送，亞利桑那州在夏天會(huì)收到從加州的太陽(yáng)能電池發(fā)的電。這是一個(gè)還需要從電池方面來(lái)解決太瓦級(jí)儲(chǔ)存需求的例子。

　　怎么才能實(shí)現(xiàn)人工光合作用？

　　能不能有這么一個(gè)技術(shù)，從太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能呢？因?yàn)榛瘜W(xué)能的能量密度非常高，正因如此，才有利于大家開(kāi)車(chē)出行等能量要求。

　　人工光合作用做什么事情呢？現(xiàn)在人們開(kāi)車(chē)、坐飛機(jī)基本上都是用油，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中能量被利用起來(lái)，排放二氧化碳和水到大氣中。我們希望人工光合作用做的事情是把二氧化碳和水，再轉(zhuǎn)化成汽油以及各種各樣的化學(xué)品。二氧化碳是全球暖化最重要的物質(zhì)，碳在整個(gè)過(guò)程當(dāng)中是100%被循環(huán)，有這么一個(gè)系統(tǒng)會(huì)非常有用。

　　而且，化學(xué)燃料從根本上來(lái)說(shuō)，都是通過(guò)光合作用存儲(chǔ)起來(lái)的，能量最終的來(lái)源就是太陽(yáng)，只不過(guò)它在過(guò)去幾十萬(wàn)年存儲(chǔ)在地球的表面，所以這應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較好的、終極的碳平衡方案，同時(shí)能夠解決能源問(wèn)題、包括二氧化碳排放的環(huán)境問(wèn)題。

　　那么怎么實(shí)現(xiàn)人工光合作用？這涉及到能量轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)以及催化。這個(gè)反應(yīng)從熱力學(xué)角度來(lái)看是可行的，因?yàn)榫G葉綠色植物每天都在做這個(gè)事情，只不過(guò)最終的碳化學(xué)品是不一樣的。綠葉光合作用每天把二氧化碳和水變成氧氣，碳變成了碳水化合物，而且能夠利用自然界中僅400PPM濃度的二氧化碳來(lái)做這個(gè)化學(xué)反應(yīng)，它的最終效率（太陽(yáng)能到化學(xué)能）和人工光合作用比不是太高，但完全能夠滿足它生存的需要。

　　在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)自然界的光合作用，首先要理解它的原理。

　　前面兩個(gè)步驟涉及到光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ，兩個(gè)都是有機(jī)高分子的集成體。光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ捕獲太陽(yáng)雙光子，從紫外到近紅外，可以一直捕捉到波長(zhǎng)750nm的光，整個(gè)太陽(yáng)能光譜它都能夠捕捉。捕獲雙光子之后在光合作用中產(chǎn)生電子，之后在催化劑的表面會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的化學(xué)鍵，新的化學(xué)鍵往往能量密度很高。

　　上圖中左右兩邊的反應(yīng)，就是我們通常所說(shuō)的半反應(yīng)。左邊的半反應(yīng)催化劑的作用是“水氧化”，也就是把水分子活化以后，分解變成氧氣，這里涉及到生物催化劑。右邊的半反應(yīng)是“二氧化碳還原”，就是把環(huán)境當(dāng)中的二氧化碳轉(zhuǎn)化成碳水化合物，這里涉及到另外一個(gè)催化劑，里面有一些金屬有機(jī)的活化中心。伯克利的化學(xué)家在六七十年代獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，理清了在綠葉里面“二氧化碳還原”的機(jī)理。把自然界光合作用的機(jī)理理清之后，就可以在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中進(jìn)行模擬。但自然界的光合作用，從太陽(yáng)能到化學(xué)能的存儲(chǔ)效率，一般來(lái)說(shuō)只有0.5%，甘蔗能夠做到0.5到5個(gè)百分點(diǎn)。所以在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中不僅要學(xué)習(xí)自然界，而且要比它更穩(wěn)定，效率還要更高。因?yàn)槿绻�只�?.5%的存儲(chǔ)效率，作為技術(shù)來(lái)說(shuō)不可能被推廣——因?yàn)槿祟?lèi)所需要的能源是太瓦級(jí)的。

　　那么怎么來(lái)模擬光合作用？這個(gè)是通常所說(shuō)的光化學(xué)二極管。

　　光學(xué)二極管模擬的是一個(gè)半導(dǎo)體跟催化劑集成的系統(tǒng)，在光化學(xué)二極管里面，有兩種半導(dǎo)體，一種是P型，另一種是N型。不同的半導(dǎo)體有不同的能帶，能夠吸收不同的光。所以這兩種半導(dǎo)體的功能等效為光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ，也是雙光子吸收。兩個(gè)光子進(jìn)去，把P型的半導(dǎo)體和N型的半導(dǎo)體活化，活化以后在P型和N型半導(dǎo)體的表面放一些催化劑，在綠葉里面兩個(gè)半反應(yīng)有兩類(lèi)催化劑，一個(gè)是氧化，一個(gè)是還原，所以在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中也是一樣的。

　　P型半導(dǎo)體表面所做的反應(yīng)就是二氧化碳的還原半反應(yīng)，二氧化碳還原可以產(chǎn)生各種各樣的產(chǎn)物，也包括綠葉里面的碳水化合物。另外一邊的半反應(yīng)就是水氧化，也就是綠葉里面另外一個(gè)半反應(yīng)——水氧化變成氧氣。所以這么一個(gè)光化學(xué)二極管，在實(shí)驗(yàn)室里面通過(guò)兩類(lèi)催化劑和兩類(lèi)半導(dǎo)體的集成之后，最終的功能是一樣的。雙光子吸收加上兩個(gè)半反應(yīng)，最終的全反應(yīng)就是二氧化碳、水、加上太陽(yáng)能，雙光子，變成二氧化碳還原的產(chǎn)物——化學(xué)品和氧氣。

　　所以，光學(xué)二極管和綠葉里面的光合作用是類(lèi)似的。當(dāng)然，大家知道綠葉里面沒(méi)有硅、鍺、氮化鎵等這些半導(dǎo)體，都是通過(guò)有機(jī)的光吸收體和金屬有機(jī)的催化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這屬于從自然界中學(xué)習(xí)，然后在實(shí)驗(yàn)室里面進(jìn)行抽象設(shè)計(jì)。

　　太陽(yáng)神計(jì)劃：如何向自然界學(xué)習(xí)？

　　2003年，美國(guó)能源部在伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了“太陽(yáng)神計(jì)劃”。它的目的就是如何向自然界學(xué)習(xí)，利用半導(dǎo)體與催化劑，把二氧化碳轉(zhuǎn)化成有用的化學(xué)品，同時(shí)還要進(jìn)行平衡：做到水氧化的過(guò)程。

　　下圖可以看到一些棒狀的東西，設(shè)想當(dāng)中是一些高比表面積（指單位重量的物體的表面積大小。通常比表面積越大，說(shuō)明物體的細(xì)度越細(xì)）的半導(dǎo)體，一個(gè)是P型，一個(gè)是N型。在高比表面積半導(dǎo)體上面負(fù)載兩類(lèi)催化劑，一類(lèi)是二氧化碳還原催化劑，一類(lèi)是水氧化催化劑。這里一直有兩個(gè)半反應(yīng)，還有兩個(gè)光吸收體。整個(gè)系統(tǒng)能夠做出來(lái)，就能夠完成前面所需要的全反應(yīng)。這只是個(gè)藍(lán)本，真正把催化劑跟吸收體集成在一起——我們用了十來(lái)年的時(shí)間才做出第一個(gè)集成體系。

　　下圖是比較普及的光陰極做二氧化碳還原反應(yīng)的體系，硅的納米導(dǎo)線陣列，可以用它來(lái)做光吸收體，同時(shí)它是一個(gè)高比表面積的半導(dǎo)體，可以在上面負(fù)載一個(gè)催化劑。

　　下圖是一張電子顯微鏡拍的照片，這是一個(gè)三維的納米導(dǎo)線陣列，納米基本上是頭發(fā)絲的一千到一萬(wàn)分之一的尺度。三維的高比表面積空間，可以在表面負(fù)載催化劑，生物催化劑也好，實(shí)驗(yàn)室合成催化劑也好，都可以用來(lái)做化學(xué)反應(yīng)。

　　在2014年的時(shí)候，我們實(shí)驗(yàn)室第一次把整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)體系當(dāng)中，有兩個(gè)半導(dǎo)體、兩類(lèi)催化劑。一個(gè)半導(dǎo)體做水氧化變成氧氣，另外一個(gè)引入生物催化劑，把二氧化碳變成了醋酸。這里面全反應(yīng)是什么樣的？就是二氧化碳加上水加上太陽(yáng)能，變成氧氣和醋酸，這是全反應(yīng)。醋酸是非常簡(jiǎn)單、但又非常重要的化學(xué)中間體。一旦有了醋酸以后，可以利用現(xiàn)在已有的工業(yè)技術(shù)，轉(zhuǎn)化成其他各種各樣的化學(xué)品，像汽油、高分子、藥的前驅(qū)體等。這是利用自然界中光合作用的全反應(yīng)的原理學(xué)習(xí)，第一次在實(shí)驗(yàn)室的模擬材料當(dāng)中體現(xiàn)出來(lái)的。

　　在2014年的時(shí)候，太陽(yáng)能到化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率大概跟綠葉的轉(zhuǎn)化效率差不多，達(dá)到0.5個(gè)百分點(diǎn)。經(jīng)過(guò)過(guò)去四五年時(shí)間，現(xiàn)在基本能夠做到8%到10%，能量轉(zhuǎn)化效率比自然界的光合作用要高得多，雖然選擇性上面可能跟自然界不能比。

　　能源工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、制藥工業(yè)，所有這些化學(xué)品，其中的碳從哪里來(lái)？現(xiàn)有的工業(yè)都是從地底下挖出來(lái)的。人工光合作用體系能夠從根本上解決這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在所有這些合成出來(lái)的新東西，這里面的碳是從大氣當(dāng)中的二氧化碳來(lái)的，也就從根本上解決了二氧化碳排放問(wèn)題和循環(huán)問(wèn)題。真正能夠用太陽(yáng)能，把二氧化碳固定下來(lái)，把它轉(zhuǎn)化成有用的化學(xué)品，包括化學(xué)燃料，包括藥品，包括人類(lèi)生存所需要的高分子材料。

　　回歸到一開(kāi)始，在2003年啟動(dòng)太陽(yáng)神計(jì)劃最初的愿景，就是找到這樣一個(gè)合成體系，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能然后高效存儲(chǔ)。能夠用這么一個(gè)體系利用不同的生物催化劑，把二氧化碳轉(zhuǎn)化成燃料、藥品和商業(yè)化學(xué)品。

　　火星上的光合作用中心：為移民火星打下基礎(chǔ)

　　2003年啟動(dòng)太陽(yáng)神計(jì)劃的時(shí)候，我們的愿景是解決全球暖化的問(wèn)題，把地球表面上的410PPM的二氧化碳重新利用。在這個(gè)背景當(dāng)中，全世界范圍內(nèi)有這樣一個(gè)夢(mèng)想——外太空探索。

　　伊隆·馬斯克一直說(shuō)要做火星移民，一直在研發(fā)新型火箭推動(dòng)系統(tǒng)，要把人類(lèi)放到火星上面去。這里面有兩個(gè)重大問(wèn)題，一個(gè)是怎么上去？SpaceX和Blue Origin這兩個(gè)公司一直在研究如何高效的把人類(lèi)送到火星。另外一個(gè)問(wèn)題是人類(lèi)到了外太空如何能生存下來(lái)？因?yàn)槿祟?lèi)需要能源、化學(xué)品、藥品、肥料等。

　　2017年，美國(guó)宇航局知道了我們這么一個(gè)半導(dǎo)體和生物體系，能夠真正做人工光合作用，于是在加州大學(xué)伯克利分校第一次成立了空間技術(shù)研究所，來(lái)解決人類(lèi)在外太空、深太空所需要的能源和化學(xué)品的問(wèn)題。這又會(huì)面臨什么科學(xué)問(wèn)題呢？這樣一個(gè)人工光合作用的化學(xué)反應(yīng)，在地球上可行，但是在外太空會(huì)是什么樣？

　　這涉及到環(huán)境問(wèn)題。在地球上面，大部分是氮?dú)夂脱鯕�，二氧化碳�?.04%——400PPM，人工光合作用就是為了化解二氧化碳的排放和循環(huán)問(wèn)題。而火星表面的氣體成分，96%是二氧化碳，它有一點(diǎn)點(diǎn)的氮?dú)�，很少的氧氣，它的光照�?qiáng)度是地球上面的60%，這也是為什么人工光合體系的結(jié)果一出來(lái)，美國(guó)宇航局對(duì)我們的研究非常感興趣的原因所在。

　　這個(gè)化學(xué)反應(yīng)能不能用在這兒？從化學(xué)的角度來(lái)看，是肯定可以的。在地球上，二氧化碳濃度是0.04%，暫時(shí)還不能在這種情況下用，這個(gè)濃度太稀了�，F(xiàn)在能夠做的體系，只能在純的二氧化碳下，需要把大氣當(dāng)中的二氧化碳富集，才能利用。但是把我們的系統(tǒng)放到火星的環(huán)境當(dāng)中，是完全可以工作的，因?yàn)榛鹦谴髿?6%都是二氧化碳，不需要再把它富集。人類(lèi)要生存，首先需要氧氣，火星上大量高濃度的二氧化碳加上水（火星表面下存大量冰），再加上太陽(yáng)能，能夠解決氧氣問(wèn)題；其次，還可以把二氧化碳轉(zhuǎn)化成一系列有用的東西。所以從化學(xué)的角度，這個(gè)設(shè)想應(yīng)該是可行的。

　　很有意思的是，美國(guó)宇航局2017年在伯克利成立了一個(gè)科研中心，來(lái)試探人工光合作用在火星表面未來(lái)的應(yīng)用。我們來(lái)粗略計(jì)算一下。比如將來(lái)去火星的第一批宇航員有6個(gè)或12個(gè)人，想像我們的系統(tǒng)能做到一個(gè)立方米（1000L）。以現(xiàn)在的的轉(zhuǎn)化效率來(lái)說(shuō)，能夠做到350g/day/1000L，再轉(zhuǎn)化到丁醇是100g/day/1000L。我們需要考慮宇航員每天、每個(gè)月、每年需要多少燃料、化學(xué)品和藥品，然后進(jìn)一步把這個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化，繼續(xù)增加產(chǎn)量。利用盡量小的體積，來(lái)生產(chǎn)盡可能多的燃料、化學(xué)品加上藥品，這是我們接下來(lái)要做的一個(gè)非常有希望成功的事情。

　　前面一直在說(shuō)利用二氧化碳和水變成一系列的東西，但是人類(lèi)生存還需要肥料來(lái)種植植物，那就有固氮的問(wèn)題。Matt Damon在電影《火星救援》里在施肥，看過(guò)這個(gè)電影的大家知道他是沒(méi)有肥料的，他只能利用自己的排泄物做肥料。但是我們希望能夠利用氮?dú)狻⑻��?yáng)能轉(zhuǎn)化成肥料，和人工光合作用是同樣的一個(gè)過(guò)程——利用一些生物的催化劑，集成到高比表面積的半導(dǎo)體上面。這個(gè)也是我們接下來(lái)要做的事情。

　　所以作為一個(gè)愿景，2003年啟動(dòng)太陽(yáng)能計(jì)劃，在這十幾年中間，從在圖紙上畫(huà)出一個(gè)高比表面積的半導(dǎo)體，到集成一個(gè)人工光合作用的體系，再到第一次在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中把二氧化碳、水轉(zhuǎn)化成所需要的化學(xué)品，這些就是我們一步一步完成的工作。

　　注：本文整理于作者在墨子沙龍上演講，有刪減，文中所有圖片來(lái)自楊培東教授演講PPT