科学家开发出利用阳光生产有价值化学物质的人造叶子

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（简称“伯克利实验室”）的研究人员与国际合作伙伴携手，使我们距离利用太阳能将二氧化碳转化为液体燃料和其他有价值的化学物质又近了一步。

在最近发表于《自然·催化》杂志的一篇论文中，研究人员首次展示了一种独立的碳-碳 (C2) 生产系统，该系统将铜的催化能力与用于光伏太阳能电池板的材料钙钛矿相结合。这一进展建立在 20 多年的研究基础之上，使科学界距离在自然界中复制绿叶的生产力又近了一步。

这项工作是“液态阳光联盟”（ LiSA）项目的一部分。LiSA是由美国能源部资助的太阳能燃料创新中心。LiSA由加州理工学院牵头，并与伯克利实验室密切合作，汇集了来自SLAC和美国国家可再生能源实验室等国家级实验室合作伙伴，以及加州大学欧文分校、加州大学圣地亚哥分校和俄勒冈大学等高校合作伙伴的100多位科学家。参与这项多机构合作的研究人员在加深我们对利用阳光、二氧化碳和水生成液体燃料的理解以及开发所需工具方面取得了进展。

由多机构合作开发的钙钛矿和铜基器件的特写，该器件旨在开发将阳光转化为液体燃料所需的工具。 (图片来源：玛丽莲·萨金特/伯克利实验室)

人造树的艺术描绘，树上铜纳米花与钙钛矿晶体连接。 （图片来源：Virgil Andrei）

“大自然是我们的灵感来源，”参与这项研究的伯克利实验室材料科学部高级研究员、加州大学伯克利分校化学与材料科学与工程教授杨培东说道。“我们必须先研究各个组成部分，但当我们把所有东西整合在一起，并意识到它成功了时，那是一个非常激动人心的时刻。”

为了构建一个模拟光合作用的系统，杨教授和他的团队遵循了植物叶片中发生的自然过程。叶片光合作用元件的每一个组成部分都必须被复制和改进。科学家们利用数十年的研究成果，使用卤化铅钙钛矿光吸收剂来模拟叶片中吸收光的叶绿素。同时，他们受到自然界中调节光合作用的酶的启发，设计了由铜制成的、形似小花的电催化剂。

先前的实验已经通过使用生物材料成功复制了光合作用，但这项研究引入了一种无机材料——铜。虽然铜的选择性低于生物替代品，但铜的加入为人造叶片系统设计提供了一种更耐用、更稳定、更持久的选择。

LiSA 项目研究人员领导的研究工作开发了新设备的阴极和阳极组件。伯克利实验室分子铸造厂的仪器使杨的团队能够将该设备与金属触点集成。在杨的实验室实验中，他们使用模拟持续明亮太阳的太阳模拟器来测试新设备的选择性。

此前，各研究小组的创新成果使得有机氧化反应能够在光阳极室中进行，并在光阴极室中生成碳二氧化 (C2) 产物。这项突破性进展在一个邮票大小的装置中创造了一种逼真的人造叶子结构——它仅利用阳光就能将二氧化碳转化为碳二氧化(C2) 分子。

该装置生产的C2化学品是许多行业的前体成分，这些行业生产着我们日常生活中有价值的产品——从塑料聚合物到飞机等尚无法使用电池驱动的大型交通工具的燃料。基于这一基础研究里程碑，杨教授目前的目标是提高系统的效率，并扩大人造叶子的尺寸，以开始提高该解决方案的可扩展性。

林利用人造光激活这个邮票大小的装置，将二氧化碳转化为C2——一种在日常产品中很有价值的前体化学物质。 (图片来源：玛丽莲·萨金特/伯克利实验室)

分子铸造厂是伯克利实验室的一个用户设施。 这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。