出品| 新浪科技《科學大家》、墨子沙龍

　　撰文| 楊培東 美國藝術與科學院院士、美國國家科學院院士，加州大學伯克利分校教授

　　二氧化碳+水+陽光=碳水化合物+氧氣，碳水化合物是人類所需要的一些重要的化學品。從能量轉化和存儲的角度看，就是把太陽能轉化成化學能，儲存在化學品當中。

　　能源與環(huán)境危機威脅人類生存

　　為什么要把二氧化碳轉化成有用的化學品？過去一百多年來，在人類工業(yè)化進程當中，人類利用了大量能源，而能源的主要來源是化石燃料�，F(xiàn)在全人類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。

　　在過去一百年當中，二氧化碳的濃度一直在上升，目前二氧化碳的濃度是410PPM（PPM是百萬分率）。這個濃度從數(shù)量來說很小，但它對全人類的生存環(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題，這意味著在接下來的幾十年或者一百年當中，人類生存的環(huán)境將有重大轉折。

　　現(xiàn)在科學界在全球暖化的問題上有兩種預期。一個預期是，在本世紀末——也就是2100年的時候，全球氣候溫度的提高控制在2℃左右，那么到時陸家嘴還是陸家嘴。但如果還像過去一百年那樣，大量利用化學能源，就會導致另外一個預期的情形——在2100年的時候全球平均溫度提高4℃，海平面上升引起的洪水，會淹沒一部分沿海城市，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題

　　怎樣才能夠從根本上改變全人類生存的能源結構呢？人類不可能永遠依賴化石燃料，應該更注重可再生能源的利用。中國的經(jīng)濟發(fā)展非常迅速，所用的能量——電力一直在增加，接下來印度也會是這樣，非洲也會是這樣。所以全人類對能源的要求非常多，如果一直依賴于化石燃料，二氧化碳排放的問題只會越來越糟糕。從全社會角度來看，各個方面都必須要利用可再生能源。

　　可再生能源一般包括太陽能，風能，水能等。太陽能電池是生活中經(jīng)常遇到的一種從太陽能到電能的轉化。要在太瓦級（10的12次方瓦特）的層面上解決能源轉化與存儲問題是一個非常困難的事情。從長遠角度來看，2016年中國能源架構大部分都是煤，煤的消費比重占了60%，剩下的是核能、水能、風能，太陽能消費比重僅是5%。雖然太陽能電池技術發(fā)明了有六七十年，但是它對整個能源工業(yè)界的滲透至今還是比較微小。到21世紀40年代，可以預見太陽能消費比重將加倍。在國家政策引導下，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，大規(guī)模利用水能、太陽能、風能將成為可能。這樣可以在2040年把煤的比重降低到30%，剩下的由太陽能、風能和水能補充。所以要想從根本上解決全球變暖的問題，就要大規(guī)模利用這些可再生能源。

　　怎樣真正在太瓦級層面應用可再生能源？從太陽能轉化的角度來看，用太陽能電池轉化成電能，必須要有一個龐大的電池系統(tǒng)儲存這些電能。在加州太陽能相當普及，但是存儲上面有問題。太陽能白天發(fā)電，但電網(wǎng)不能支撐，晚上用電有的時候反而沒電，非常不穩(wěn)定。很多時候會把一些免費的太陽能向周邊的地區(qū)輸送，亞利桑那州在夏天會收到從加州的太陽能電池發(fā)的電。這是一個還需要從電池方面來解決太瓦級儲存需求的例子。

　　怎么才能實現(xiàn)人工光合作用？

　　能不能有這么一個技術，從太陽能轉化成化學能呢？因為化學能的能量密度非常高，正因如此，才有利于大家開車出行等能量要求。

　　人工光合作用做什么事情呢？現(xiàn)在人們開車、坐飛機基本上都是用油，在這個過程當中能量被利用起來，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，再轉化成汽油以及各種各樣的化學品。二氧化碳是全球暖化最重要的物質，碳在整個過程當中是100%被循環(huán)，有這么一個系統(tǒng)會非常有用。

　　而且，化學燃料從根本上來說，都是通過光合作用存儲起來的，能量最終的來源就是太陽，只不過它在過去幾十萬年存儲在地球的表面，所以這應該是一個相對來說比較好的、終極的碳平衡方案，同時能夠解決能源問題、包括二氧化碳排放的環(huán)境問題。

　　那么怎么實現(xiàn)人工光合作用？這涉及到能量轉化存儲以及催化。這個反應從熱力學角度來看是可行的，因為綠葉綠色植物每天都在做這個事情，只不過最終的碳化學品是不一樣的。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濃度的二氧化碳來做這個化學反應，它的最終效率（太陽能到化學能）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。

　　在實驗室學習自然界的光合作用，首先要理解它的原理。

　　前面兩個步驟涉及到光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ，兩個都是有機高分子的集成體。光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ捕獲太陽雙光子，從紫外到近紅外，可以一直捕捉到波長750nm的光，整個太陽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產(chǎn)生化學反應，形成新的化學鍵，新的化學鍵往往能量密度很高。

　　上圖中左右兩邊的反應，就是我們通常所說的半反應。左邊的半反應催化劑的作用是“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。右邊的半反應是“二氧化碳還原”，就是把環(huán)境當中的二氧化碳轉化成碳水化合物，這里涉及到另外一個催化劑，里面有一些金屬有機的活化中心。伯克利的化學家在六七十年代獲得了諾貝爾獎，理清了在綠葉里面“二氧化碳還原”的機理。把自然界光合作用的機理理清之后，就可以在實驗室當中進行模擬。但自然界的光合作用，從太陽能到化學能的存儲效率，一般來說只有0.5%，甘蔗能夠做到0.5到5個百分點。所以在實驗室當中不僅要學習自然界，而且要比它更穩(wěn)定，效率還要更高。因為如果只有0.5%的存儲效率，作為技術來說不可能被推廣——因為人類所需要的能源是太瓦級的。

　　那么怎么來模擬光合作用？這個是通常所說的光化學二極管。

　　光學二極管模擬的是一個半導體跟催化劑集成的系統(tǒng)，在光化學二極管里面，有兩種半導體，一種是P型，另一種是N型。不同的半導體有不同的能帶，能夠吸收不同的光。所以這兩種半導體的功能等效為光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ，也是雙光子吸收。兩個光子進去，把P型的半導體和N型的半導體活化，活化以后在P型和N型半導體的表面放一些催化劑，在綠葉里面兩個半反應有兩類催化劑，一個是氧化，一個是還原，所以在實驗室當中也是一樣的。

　　P型半導體表面所做的反應就是二氧化碳的還原半反應，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。另外一邊的半反應就是水氧化，也就是綠葉里面另外一個半反應——水氧化變成氧氣。所以這么一個光化學二極管，在實驗室里面通過兩類催化劑和兩類半導體的集成之后，最終的功能是一樣的。雙光子吸收加上兩個半反應，最終的全反應就是二氧化碳、水、加上太陽能，雙光子，變成二氧化碳還原的產(chǎn)物——化學品和氧氣。

　　所以，光學二極管和綠葉里面的光合作用是類似的。當然，大家知道綠葉里面沒有硅、鍺、氮化鎵等這些半導體，都是通過有機的光吸收體和金屬有機的催化劑來實現(xiàn)的。這屬于從自然界中學習，然后在實驗室里面進行抽象設計。

　　太陽神計劃：如何向自然界學習？

　　2003年，美國能源部在伯克利國家實驗室啟動了“太陽神計劃”。它的目的就是如何向自然界學習，利用半導體與催化劑，把二氧化碳轉化成有用的化學品，同時還要進行平衡：做到水氧化的過程。

　　下圖可以看到一些棒狀的東西，設想當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，說明物體的細度越細）的半導體，一個是P型，一個是N型。在高比表面積半導體上面負載兩類催化劑，一類是二氧化碳還原催化劑，一類是水氧化催化劑。這里一直有兩個半反應，還有兩個光吸收體。整個系統(tǒng)能夠做出來，就能夠完成前面所需要的全反應。這只是個藍本，真正把催化劑跟吸收體集成在一起——我們用了十來年的時間才做出第一個集成體系。

　　下圖是比較普及的光陰極做二氧化碳還原反應的體系，硅的納米導線陣列，可以用它來做光吸收體，同時它是一個高比表面積的半導體，可以在上面負載一個催化劑。

　　下圖是一張電子顯微鏡拍的照片，這是一個三維的納米導線陣列，納米基本上是頭發(fā)絲的一千到一萬分之一的尺度。三維的高比表面積空間，可以在表面負載催化劑，生物催化劑也好，實驗室合成催化劑也好，都可以用來做化學反應。

　　在2014年的時候，我們實驗室第一次把整個系統(tǒng)集成在一個體系當中，有兩個半導體、兩類催化劑。一個半導體做水氧化變成氧氣，另外一個引入生物催化劑，把二氧化碳變成了醋酸。這里面全反應是什么樣的？就是二氧化碳加上水加上太陽能，變成氧氣和醋酸，這是全反應。醋酸是非常簡單、但又非常重要的化學中間體。一旦有了醋酸以后，可以利用現(xiàn)在已有的工業(yè)技術，轉化成其他各種各樣的化學品，像汽油、高分子、藥的前驅體等。這是利用自然界中光合作用的全反應的原理學習，第一次在實驗室的模擬材料當中體現(xiàn)出來的。

　　在2014年的時候，太陽能到化學能轉化效率大概跟綠葉的轉化效率差不多，達到0.5個百分點。經(jīng)過過去四五年時間，現(xiàn)在基本能夠做到8%到10%，能量轉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)、化學工業(yè)、制藥工業(yè)，所有這些化學品，其中的碳從哪里來？現(xiàn)有的工業(yè)都是從地底下挖出來的。人工光合作用體系能夠從根本上解決這個問題，現(xiàn)在所有這些合成出來的新東西，這里面的碳是從大氣當中的二氧化碳來的，也就從根本上解決了二氧化碳排放問題和循環(huán)問題。真正能夠用太陽能，把二氧化碳固定下來，把它轉化成有用的化學品，包括化學燃料，包括藥品，包括人類生存所需要的高分子材料。

　　回歸到一開始，在2003年啟動太陽神計劃最初的愿景，就是找到這樣一個合成體系，把太陽能轉化為化學能然后高效存儲。能夠用這么一個體系利用不同的生物催化劑，把二氧化碳轉化成燃料、藥品和商業(yè)化學品。

　　火星上的光合作用中心：為移民火星打下基礎

　　2003年啟動太陽神計劃的時候，我們的愿景是解決全球暖化的問題，把地球表面上的410PPM的二氧化碳重新利用。在這個背景當中，全世界范圍內有這樣一個夢想——外太空探索。

　　伊隆·馬斯克一直說要做火星移民，一直在研發(fā)新型火箭推動系統(tǒng)，要把人類放到火星上面去。這里面有兩個重大問題，一個是怎么上去？SpaceX和Blue Origin這兩個公司一直在研究如何高效的把人類送到火星。另外一個問題是人類到了外太空如何能生存下來？因為人類需要能源、化學品、藥品、肥料等。

　　2017年，美國宇航局知道了我們這么一個半導體和生物體系，能夠真正做人工光合作用，于是在加州大學伯克利分校第一次成立了空間技術研究所，來解決人類在外太空、深太空所需要的能源和化學品的問題。這又會面臨什么科學問題呢？這樣一個人工光合作用的化學反應，在地球上可行，但是在外太空會是什么樣？

　　這涉及到環(huán)境問題。在地球上面，大部分是氮氣和氧氣，二氧化碳是0.04%——400PPM，人工光合作用就是為了化解二氧化碳的排放和循環(huán)問題。而火星表面的氣體成分，96%是二氧化碳，它有一點點的氮氣，很少的氧氣，它的光照強度是地球上面的60%，這也是為什么人工光合體系的結果一出來，美國宇航局對我們的研究非常感興趣的原因所在。

　　這個化學反應能不能用在這兒？從化學的角度來看，是肯定可以的。在地球上，二氧化碳濃度是0.04%，暫時還不能在這種情況下用，這個濃度太稀了。現(xiàn)在能夠做的體系，只能在純的二氧化碳下，需要把大氣當中的二氧化碳富集，才能利用。但是把我們的系統(tǒng)放到火星的環(huán)境當中，是完全可以工作的，因為火星大氣96%都是二氧化碳，不需要再把它富集。人類要生存，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），再加上太陽能，能夠解決氧氣問題；其次，還可以把二氧化碳轉化成一系列有用的東西。所以從化學的角度，這個設想應該是可行的。

　　很有意思的是，美國宇航局2017年在伯克利成立了一個科研中心，來試探人工光合作用在火星表面未來的應用。我們來粗略計算一下。比如將來去火星的第一批宇航員有6個或12個人，想像我們的系統(tǒng)能做到一個立方米（1000L）。以現(xiàn)在的的轉化效率來說，能夠做到350g/day/1000L，再轉化到丁醇是100g/day/1000L。我們需要考慮宇航員每天、每個月、每年需要多少燃料、化學品和藥品，然后進一步把這個系統(tǒng)優(yōu)化，繼續(xù)增加產(chǎn)量。利用盡量小的體積，來生產(chǎn)盡可能多的燃料、化學品加上藥品，這是我們接下來要做的一個非常有希望成功的事情。

　　前面一直在說利用二氧化碳和水變成一系列的東西，但是人類生存還需要肥料來種植植物，那就有固氮的問題。Matt Damon在電影《火星救援》里在施肥，看過這個電影的大家知道他是沒有肥料的，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氣、太陽能轉化成肥料，和人工光合作用是同樣的一個過程——利用一些生物的催化劑，集成到高比表面積的半導體上面。這個也是我們接下來要做的事情。

　　所以作為一個愿景，2003年啟動太陽能計劃，在這十幾年中間，從在圖紙上畫出一個高比表面積的半導體，到集成一個人工光合作用的體系，再到第一次在實驗室當中把二氧化碳、水轉化成所需要的化學品，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，文中所有圖片來自楊培東教授演講PPT