零碳科技：太阳能人造叶子利用将CO2转化为可持续燃料

化学工业是全球经济的重要基石之一，生产各种商品——从药品和化肥到塑料、油漆、电子产品、清洁剂和洗漱用品。如果想要建立一个循环、可持续的经济，化学工业是一个必须解决的大而复杂的问题，必须想出办法使这个重要行业去化石化。

剑桥大学的研究人员设计了一种太阳能“人造叶子”，可以模仿光合作用，以可持续的方式制造有价值的化学物质。他们的生物混合设备结合了有机半导体和酶，将二氧化碳和阳光高效转化为甲酸盐，为更绿色的化学工业铺平了道路。

该研究发表在《焦耳》杂志上，文章标题为“Semi-artificial leaf interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis”。

甲酸盐的价值

在繁多的化工商品中，甲酸以其独特性质脱颖而出。它常温常压下为液体，便于储存和运输，且作为最简单的一元羧酸，其应用广泛。甲酸不仅是基本有机化工原料，还广泛应用于农药、皮革、染料、医药和橡胶等多个行业。

甲酸盐的应用也极为广泛。在畜牧业中，它可作为有效的食品防腐剂，帮助抑制细菌的生长。而在饲料行业，二甲酸钾的崛起更是引人注目，被誉为“代替抗生素促进动物生长的首选饲料添加剂”，预示着其巨大的市场潜力。此外，甲酸盐在化工领域也扮演着重要角色，作为C1建构模块，它能够催化还原特定官能团，如参与不饱和基团的氢化反应等。同时，甲酸盐在制革、制药工程、橡胶制造乃至钻井行业中都有其独特的用途。值得一提的是，甲酸盐还具备作为清洁燃料的潜力，其氢质量分数达到4.4%，容积容量更是高达53g H2 L–1，能量密度超越了商用70 MPa储氢罐，为直接甲酸盐燃料电池提供了理想的液相储氢介质。据资料预测，2025年甲酸盐的市场容量有望达到8281亿美元。‘

人造叶子

剑桥大学的研究人员的突破涉及一种混合设备，该设备将光吸收有机聚合物和细菌酶结合在一起，将阳光、水和二氧化碳转化为甲酸盐，甲酸盐是一种清洁燃料，可以为额外的化学反应提供动力。根据《焦耳》杂志发表的研究结果，这标志着有机半导体首次在这种生物混合系统中充当光捕获组件，为新一代环保人造树叶铺平了道路。

这种“半人造叶子”复制了光合作用，这是植物用来将阳光转化为能量的自然过程，并且完全依靠自身力量运行。与以前依赖有毒或不稳定的光吸收剂的设计不同，这种新的生物混合模型使用无毒材料，运行效率更高，并且无需额外添加剂即可保持稳定。

在实验室测试中，该团队成功地利用阳光将二氧化碳转化为甲酸盐，然后直接将其应用于“多米诺骨牌”反应，合成了一种用于药物的有价值的化合物，实现了高产量和纯度。

运行中的半人工有机光电阴极（前视图）

这个研究团队专门研究人造树叶的开发，这种树叶可以在不依赖化石燃料的情况下将阳光转化为碳基燃料和化学品。但他们早期的许多设计都依赖于合成催化剂或无机半导体，它们要么快速降解，要么浪费大部分太阳光谱，要么含有铅等有毒元素。而新开发的设备结合了两全其美的优点——有机半导体可调且无毒，而生物催化剂具有高度选择性和效率。

技术概念图

新设备将有机半导体与硫酸盐还原细菌的酶集成在一起，将水分解成氢气和氧气，或将二氧化碳转化为甲酸盐。

研究人员还解决了一个长期存在的挑战：大多数系统需要化学添加剂（称为缓冲液）来保持酶的运行。这些会迅速分解并限制稳定性。通过将辅助酶碳酸酐酶嵌入多孔二氧化钛结构中，研究人员使该系统能够在简单的碳酸氢盐溶液（类似于苏打水）中工作，而无需不可持续的添加剂。

OPV-BiVO4半人造树叶结构示意图

测试表明，人造叶子产生高电流，并在引导电子进入燃料制造反应方面达到了近乎完美的效率。该设备成功运行了超过 24 小时：是以前设计的两倍多。研究人员希望进一步开发他们的设计，以延长设备的使用寿命并对其进行调整，使其能够生产不同类型的化学产品。

一系列的研究已经证明，制造太阳能设备是可能的，这些设备不仅高效耐用，而且不含有毒或不可持续的成分，这可能成为未来生产绿色燃料和化学品的基本平台。

DOI：10.1016/j.joule.2025.102165