化學(xué)工業(yè)是全球經(jīng)濟的重要基石之一，生產(chǎn)各種商品——從藥品和化肥到塑料、油漆、電子產(chǎn)品、清潔劑和洗漱用品。如果想要建立一個循環(huán)、可持續(xù)的經(jīng)濟，化學(xué)工業(yè)是一個必須解決的大而復(fù)雜的問題，必須想出辦法使這個重要行業(yè)去化石化。

劍橋大學(xué)的研究人員設(shè)計了一種太陽能“人造葉子”，可以模仿光合作用，以可持續(xù)的方式制造有價值的化學(xué)物質(zhì)。他們的生物混合設(shè)備結(jié)合了有機半導(dǎo)體和酶，將二氧化碳和陽光高效轉(zhuǎn)化為甲酸鹽，為更綠色的化學(xué)工業(yè)鋪平了道路。

該研究發(fā)表在《焦耳》雜志上，文章標(biāo)題為“Semi-artificial leaf interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis”。

甲酸鹽的價值

在繁多的化工商品中，甲酸以其獨特性質(zhì)脫穎而出。它常溫常壓下為液體，便于儲存和運輸，且作為最簡單的一元羧酸，其應(yīng)用廣泛。甲酸不僅是基本有機化工原料，還廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、皮革、染料、醫(yī)藥和橡膠等多個行業(yè)。

甲酸鹽的應(yīng)用也極為廣泛。在畜牧業(yè)中，它可作為有效的食品防腐劑，幫助抑制細菌的生長。而在飼料行業(yè)，二甲酸鉀的崛起更是引人注目，被譽為“代替抗生素促進動物生長的首選飼料添加劑”，預(yù)示著其巨大的市場潛力。此外，甲酸鹽在化工領(lǐng)域也扮演著重要角色，作為C1建構(gòu)模塊，它能夠催化還原特定官能團，如參與不飽和基團的氫化反應(yīng)等。同時，甲酸鹽在制革、制藥工程、橡膠制造乃至鉆井行業(yè)中都有其獨特的用途。值得一提的是，甲酸鹽還具備作為清潔燃料的潛力，其氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到4.4%，容積容量更是高達53g H2 L–1，能量密度超越了商用70 MPa儲氫罐，為直接甲酸鹽燃料電池提供了理想的液相儲氫介質(zhì)。據(jù)資料預(yù)測，2025年甲酸鹽的市場容量有望達到8281億美元。

人造葉子

劍橋大學(xué)的研究人員的突破涉及一種混合設(shè)備，該設(shè)備將光吸收有機聚合物和細菌酶結(jié)合在一起，將陽光、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸鹽，甲酸鹽是一種清潔燃料，可以為額外的化學(xué)反應(yīng)提供動力。根據(jù)《焦耳》雜志發(fā)表的研究結(jié)果，這標(biāo)志著有機半導(dǎo)體首次在這種生物混合系統(tǒng)中充當(dāng)光捕獲組件，為新一代環(huán)保人造樹葉鋪平了道路。

這種“半人造葉子”復(fù)制了光合作用，這是植物用來將陽光轉(zhuǎn)化為能量的自然過程，并且完全依靠自身力量運行。與以前依賴有毒或不穩(wěn)定的光吸收劑的設(shè)計不同，這種新的生物混合模型使用無毒材料，運行效率更高，并且無需額外添加劑即可保持穩(wěn)定。

在實驗室測試中，該團隊成功地利用陽光將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸鹽，然后直接將其應(yīng)用于“多米諾骨牌”反應(yīng)，合成了一種用于藥物的有價值的化合物，實現(xiàn)了高產(chǎn)量和純度。

運行中的半人工有機光電陰極（前視圖）

這個研究團隊專門研究人造樹葉的開發(fā)，這種樹葉可以在不依賴化石燃料的情況下將陽光轉(zhuǎn)化為碳基燃料和化學(xué)品。但他們早期的許多設(shè)計都依賴于合成催化劑或無機半導(dǎo)體，它們要么快速降解，要么浪費大部分太陽光譜，要么含有鉛等有毒元素。而新開發(fā)的設(shè)備結(jié)合了兩全其美的優(yōu)點——有機半導(dǎo)體可調(diào)且無毒，而生物催化劑具有高度選擇性和效率。

技術(shù)概念圖

新設(shè)備將有機半導(dǎo)體與硫酸鹽還原細菌的酶集成在一起，將水分解成氫氣和氧氣，或?qū)⒍趸嫁D(zhuǎn)化為甲酸鹽。

研究人員還解決了一個長期存在的挑戰(zhàn)：大多數(shù)系統(tǒng)需要化學(xué)添加劑（稱為緩沖液）來保持酶的運行。這些會迅速分解并限制穩(wěn)定性。通過將輔助酶碳酸酐酶嵌入多孔二氧化鈦結(jié)構(gòu)中，研究人員使該系統(tǒng)能夠在簡單的碳酸氫鹽溶液（類似于蘇打水）中工作，而無需不可持續(xù)的添加劑。

OPV-BiVO4半人造樹葉結(jié)構(gòu)示意圖

測試表明，人造葉子產(chǎn)生高電流，并在引導(dǎo)電子進入燃料制造反應(yīng)方面達到了近乎完美的效率。該設(shè)備成功運行了超過 24 小時：是以前設(shè)計的兩倍多。研究人員希望進一步開發(fā)他們的設(shè)計，以延長設(shè)備的使用壽命并對其進行調(diào)整，使其能夠生產(chǎn)不同類型的化學(xué)產(chǎn)品。

一系列的研究已經(jīng)證明，制造太陽能設(shè)備是可能的，這些設(shè)備不僅高效耐用，而且不含有毒或不可持續(xù)的成分，這可能成為未來生產(chǎn)綠色燃料和化學(xué)品的基本平臺。