吸收阳光：人工光合作用有望提供清洁、可持续的能源

人类可以做很多植物做不到的事情。我们可以四处走动，我们可以交谈，我们可以听到、看到和触摸。但是植物比人类有一个主要优势：它们可以直接从太阳中获取能量。

将阳光直接转化为可用能量的过程——称为光合作用——可能很快就会成为人类能够模仿利用太阳能来制造清洁、可储存、高效燃料的壮举。如果是这样，它可能会开辟一个全新的清洁能源领域。一小时内以阳光的形式照射到地球上的能量足以满足人类文明一整年的能源需求。

普渡大学理学院的生物物理学家和物理学教授 Yulia Puskhar 可能有办法通过模仿植物来利用这种能量。

光伏电池利用的风能和太阳能是可用的两种主要清洁能源形式。添加第三种——合成光合作用——将极大地改变可再生能源的格局。无需笨重的电池即可轻松存储能量的能力将显着提高人类清洁高效地为社会供电的能力。

风力涡轮机和光伏发电在环境影响和复杂因素方面都有不利之处。Pushkar 希望人工光合作用能够绕过这些陷阱。

普什卡说：“我们和世界各地的其他研究人员都在非常努力地试图找到可用的能源。”“我们可以用无毒、容易获得的元素创造清洁和可持续的能源。我们的人工光合作用是前进的方向。”

光合作用是一个复杂的过程，植物将太阳的辐射和水分子转化为葡萄糖形式的可用能量。为此，他们使用一种色素，通常是著名的叶绿素，以及蛋白质、酶和金属。

当今人类最接近人工光合作用的过程是光伏技术，其中太阳能电池将太阳能转化为电能。众所周知，这个过程效率低下，只能捕获大约 20% 的太阳能。另一方面，光合作用从根本上更有效。它能够将 60% 的太阳能作为化学能储存在相关的生物分子中。

简单的光伏电池——太阳能电池板——的效率受到半导体吸收光能的能力和电池发电能力的限制。这个限制是科学家可以通过合成光合作用超越的。

“通过人工光合作用，没有基本的物理限制，”普什卡说。“你可以很容易地想象一个效率为 60% 的系统，因为我们已经有自然光合作用的先例。如果我们非常雄心勃勃，我们甚至可以设想一个效率高达 80% 的系统。

“光合作用在分解水时非常有效，这是人工光合作用的第一步。植物中的光系统 II 蛋白每秒会这样做一千次。眨眼，就完成了。”

Pushkar 的小组正在通过构建她自己的人造叶子模拟物来模拟这一过程，该模拟叶子收集光并分裂水分子以产生氢气。氢可以通过燃料电池单独用作燃料，也可以添加到天然气等其他燃料中，或者内置在燃料电池中，为从车辆到房屋到小型电子设备、实验室和医院的一切提供动力。她最近的发现是对光合作用过程中水分子分裂方式的洞察，最近发表在《化学催化：细胞出版社》杂志上。

Pushkar 实验室的科学家们用天然光系统 II 蛋白和合成催化剂组合进行实验，试图了解什么最有效——以及为什么。她还优先考虑使用地球上丰富、易于获取且对地球无毒的化合物和化学物质。

然而，人工光合作用的进展是复杂的，因为光合作用是如此多方面的事实，世界各地的生物化学学生都在哀叹这一事实。

“反应非常复杂，”普什卡说。“分裂水分子的化学过程极其复杂和困难。”

自 1970 年代以来，科学家们一直在研究人工光合作用。那是一段很长的时间，但当你记得光合作用需要数百万年的时间来进化时，你就不会这样了。不仅如此，科学家们认为，与飞行、通信或智能不同，光合作用只进化了一次——大约 30 亿年前，距地球存在仅大约 15 亿年。

Pushkar 假设在接下来的 10 到 15 年内，将取得足够的进展，商业人工光合作用系统可能开始上线。她的研究由美国国家科学基金会资助。