人工光合成技术：向太阳要廉价能源

　　进入21世纪，在科技进步、经济高速发展的同时，人类日益增长的能源需求与能源短缺的矛盾不断加剧，而太阳能作为地球上能量丰富而又取之不竭的能源，给人类文明持续发展带来新希望。

　　化学家向大自然学习，从植物的光合作用原理中得到启发，开发了人工光合成技术，即在太阳光的驱动下将二氧化碳与水转化为有机燃料、工业原料、氧气，成功实现太阳能向化学能的转化。该技术凭借其反应条件温和、成本低廉等优势，被称为“21世纪梦技术”。

　　美国化学家创新人工光合作用新系统，将水和二氧化碳转化为乙醇、甲烷等物质，作为燃料电池的燃料，实现了低碳、甚至零碳的目标。

　　最早被报道的人工光合成反应，可以追溯到1972年日本科学家藤岛昭等人发现的二氧化钛半导体材料，可光电催化还原二氧化碳生成甲醇和甲醛，引爆波及全球的研究热潮。

　　目前，人们普遍认为人工光合成过程分为3个步骤：首先是光生载流子的生成过程。半导体材料价带上的电子吸收光能，跃迁至导带，同时将空穴留在价带上。电子与空穴这对光生载流子，具有与半导体导带或价带位置对应的还原与氧化能力。其次，光生载流子迁移过程中，一部分寿命较长的光生载流子，会在电场或者扩散作用下分别迁移至半导体表面参与反应过程。最后，迁移到半导体表面的光生载流子，与吸附在半导体表面上的二氧化碳和水发生氧化还原反应，完成人工光合成过程。

　　通过人工光合成的3个主要步骤不难看出，高效的半导体材料与器件是实现太阳能转化和利用，以及发展人工光合成技术的关键。在40多年的发展历程中，科学家们研发了种类繁多的人工光合成材料和体系，然而组成与结构单一的半导体材料，很难同时满足人工光合成各步骤的需求，因此设计并构建特殊结构或表面活性单元，成为合成高效的半导体材料与器件的有效策略。国内外众多学者对此类半导体材料开展了大量研究，并取得可喜进展，研制出众多复合半导体材料。

　　除了应对地球能源危机，中国科学院院士邹志刚等人于2022年提出将人工光合成技术应用于地外空间新思路，提出一套利用月壤进行地外人工光合成的策略，主要利用人类呼吸的二氧化碳和月球上原位开采的水资源，共同产生碳氢化合物和氧气。这一策略有助于未来人类在月球上探测、居住和旅行，实现这一目标可以极大提高人类在月球生存的可行性和持久性，为实现“零能耗”的月球生命保障系统奠定了理论基础。

　　随着人工光合成技术的不断发展，其在化学、物理、材料、能源等诸多领域受到许多关注，在清洁能源、国防军事、汽车工业、家电行业等众多领域展现出广阔应用前景。

　　来源：《科普时报》

　　作者：福州大学化学学院能源与环境光催化国家重点实验室讲师、硕士生导师  汪 颖）