太阳能人造树叶模拟光合作用将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

相关：

Joule “半人工叶”新突破：有机光伏×酶，太阳驱动定向合成氢气与甲酸

这是一片“仿生树叶”：用有机光伏（OPV）采光供能，结合纳米结构TiO₂多孔电极负载的生物酶催化位点（[NiFeSe]-氢化酶或钨-甲酸脱氢酶），在中性/近中性体系下实现无需外加偏压或介体/牺牲剂的定向太阳化学合成（产氢或CO₂→甲酸）。

研究亮点

1. “半人工”路径更可持续：抛弃有毒/稀贵无机材料与牺牲剂，转向有机半导体×生物酶的清洁耦合，直面化工“去化石化”的产业痛点。 

2. 界面工程到位：OPV 光电极→逆结构三维有序多孔TiO₂（inverse-opal TiO₂）→酶位点的直接电子转移（DET），把光生载流子高效送到活性中心。

4. 实用稳定性：报道了最长可至约1天的无偏压连续太阳驱动合成演示，为走向模块化应用打开大门。

他们怎么做的（装置与思路）

• 采光与供能：选用体相异质结（BHJ）OPV（如 PCE10:EH-IDTBR）作光电阴极，兼顾可见光吸收与器件稳定性。

• 电子“高速公路”：在IO-TiO₂三维骨架上锚定酶（两条路线）：

• 产氢：负载 [NiFeSe]-氢化酶；

• CO₂还原：负载 [W]-甲酸脱氢酶（FDH）。
  该结构提供大比表面积、短扩散路径与优良电接触，实现DET。 

• 碳供给优化：在碳酸氢盐电解质中共固定化 CA，加速 CO₂/HCO₃⁻ 平衡，提高FDH侧对CO₂的有效底物供给。

 核心数据与对标

• 高光电流密度：在中性碳酸氢盐中，光生阴极峰值可达约 −8 mA cm⁻²（FDH 体系，含 CA），属同类体系的前沿水平。 

• 选择性产物：

• 产氢路线：稳定产 H₂（10 h 示范）。

• CO₂ 还原路线：选择性生成甲酸（10 h 示范）。 

• 无外加偏压/介体：组装为“半人工叶”后，可无偏压直驱太阳燃料合成，最长运行至约1天；对比过往依赖无机半导体/牺牲剂/介体的方案，本工作在装置完整性与可持续性上更进一步。 

• 领域位置：与早期PSI-FDH耦合、钙钛矿-氢化酶、聚合物点驱动酶等“半人工光合成”工作相比，本研究以有机半导体为核心并强调DET与碳酸酐酶协同，在“稳定性+体系绿色性”上具有代表性。 

 关键机理与工程要点

• DET 优势：避免可逆性差/会“吃电位”的介体，缩短电子路径、降低界面损耗。IO-TiO₂ 的“连通多孔”几何与酶定向耦合共同促成高效 DET。

• 碳酸酐酶的“局部增浓”效应：CA 促进 CO₂/HCO₃⁻ 快速互变，等效提高 FDH 的就地底物供给，解释了随 CA 共固定化出现的电流/选择性增益。 

 局限与痛点

1. 户外复杂环境与寿命：OPV 与蛋白酶均对温湿度、光强与杂质敏感，长期封装与抗盐/抗毒稳定性仍需验证。权威科普与新闻也强调了进一步“工程化”与“去化石化化工”的落地挑战。 (Chemical & Engineering New

2. 规模化与成本：大面积三维 IO-TiO₂ 与高活性、长寿命酶制备/再生的成本控制与工艺放大是下一步关键。

3. 产物流整合：甲酸/H₂ 下游的化学/生物耦合利用（如甲酸→生物合成）有现实通路，但与连续光化学模块的界面与节拍匹配仍需系统设计。 

 面向应用的展望（给工程师的清单）

• （材料） 提升 OPV 吸收与稳定性的同时控制能级匹配；探索可喷涂/印刷的大面积 IO-TiO₂模板与低温固化路线。 

• （生物） 酶的定向固定化/交联保护/多酶级联，以及可循环更新策略。

• （系统） 以无偏压“太阳-到-甲酸/H₂”为底座，外接电化学/生物催化（例如甲酸驱动的合成生物学产蛋白框架），形成**“采光-转化-利用”**一体化平台。 

 我们怎么看（SynbioVision 立场）

对“CO₂→甲酸→生物合成（蛋白/氨基酸等）”路线，这项“半人工叶”给了一个更绿色的前端采能与定向电子输运方案：

• 在中性缓冲与无偏压条件下实现稳定甲酸/氢气产出，有利与微生物工厂拼接（减少pH/盐度冲击）。

• DET 与 CA 协同为“光-电-酶”三域界面设计提供了模板，后续可向多酶级联与中试模块延展。
  结合我们既有的**“甲酸经济×生物制造”**设想，这是一条值得快速验证与放大评估的工艺支路。

 金句收官

把“叶片”的智慧搬进化工厂：用有机光伏收集阳光、让酶来点睛，把难题留给界面工程，把绿色留给未来。

 原文信息

题目：Semi-artificial leaf interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis
期刊：Joule（已接受，2025-11-19上线）
DOI：10.1016/j.joule.2025.102165

作者：Celine Wing See Yeung; Yongpeng Liu; David M. Vahey; …; Rita R. Manuel; Inês A. C. Pereira; Erwin Reisner（通讯）
通讯作者邮箱：reisner@ch.cam.ac.uk

平台声明：该文观点仅代表作者本人，零碳未来网 系信息发布平台，我们仅提供信息存储空间服务。