地球历史上二氧化碳最高比例（顶刊Nature发明人造树叶）

作为三大化石燃料之一，石油已经渗入到生产、生活的各个方面，促进人类文明的进步和社会的发展。近日，伊朗国家石油公司的一艘油轮在沙特西部吉达港附近的红海海域发生爆炸，造成大量原油泄漏。事件发生后，国内原油短线跳涨，涨幅超3%，油服、油运等石油相关多只个股大涨，足见石油对我们生活的影响。

根据英国石油公司的2019年世界能源统计年鉴指出，石油还够人类使用50年。想象一下，假如有一天，世界上没有石油这种燃料，我们的生活又会受到什么影响呢？为了应对化石能源短缺带来的一系列问题，世界各国科学家积极探索新技术、新发现，努力开发出可替代的新能源、新材料。

近日，剑桥大学化学系Erwin Reisner教授团队在Nature子刊Nature Materials上发表名为“Bias-free solar syngas production by integrating a molecular cobalt catalyst with perovskite–BiVO4 tandems”的文章。该文章系统阐述了以钙钛矿、碳纳米管等催化剂和原料合成一种新材料，该材料就像树叶一样，能够以水和二氧化碳为原料，太阳能为能量，进行“光合作用”产生氢气和一氧化碳合成气体。该团队接下来将以此技术为基础，使用人造树叶直接合成液体燃料，以替换汽油等化工燃料。

研究预览：以水和二氧化碳为原料通过光电化学（PEC）反应合成气体是发展碳循环经济最由吸引力的技术。但是常用催化剂存在过高的电势、选择性低和较高的成本等限制因素为这种可持续的能源转化过程提出了挑战。在这篇文章中，剑桥大学化学系Erwin Reisner教授团队将钴卟啉催化剂与三阳离子混合卤化物钙钛矿和BiVO4光吸收剂集成在一起固定在碳纳米管上。该物质展示了高度可调的光电化学（PEC）反应感应合成气体。

文中使用统计方法进行数据分析了在低催化剂负载下的电极的最佳选择性。在低至0.1太阳的光照强度下，钙钛矿光电阴极可选择性的保持CO2水溶液状态，从而减少一天的辐射，即使在低太阳光照强度下也可提供最大限度地利用日光的途径。在1个太阳光照强度下，钙钛矿–BiVO4光电化学反应（PEC）膜可以连续三天维持无偏合成气的产生并与水氧化。以太阳能为能量来源，该设备的H2和CO的太阳能转化效率分别为0.06％和0.02％，并且能够在中性pH溶液中作为独立的人工叶片运行。

图片来源：剑桥大学官网

剑桥大学化学系Erwin Reisner教授团队的这篇文章的创新点：受到自然界树叶的光合作用启发，开发出人造树叶。光合作用是植物利用太阳光的能量将二氧化碳转化为食物的自然过程，这是自然界几乎所有能量的基本来源，该树叶能以太阳为能源、二氧化碳和水为原料，合成燃料气体氢气和一氧化碳混合气体，最终可用于开发可持续的液体燃料替代汽油等化工燃料。

在人造叶子上，类似于吸收阳光的植物中的分子的两种光吸收剂与由天然丰富的元素钴制成的催化剂结合在一起，当设备浸入水中时，一个光吸收剂会使用催化剂产生氧气。另一个进行化学反应，将二氧化碳和水还原为一氧化碳和氢气，形成合成气混合物。

该论文的作者，剑桥大学化学系的教授Erwin Reisner教授和他的学生Virgil Andrei接受了媒体的采访。

剑桥大学的Erwin Reisner教授已经采用各种测试手法证明，这种碳平衡装置在太阳能燃料领域树立了新的标杆，该装置可以以可持续、简单的方式直接生产天然气，即氢气和一氧化碳的合成气体。与化石燃料相比，该系统以太阳光为能源，甚至是在阴天、下雨天，仍然可以有效地工作。

与当前生产合成气的工业过程不同，“人造叶片”不会向大气释放任何额外的二氧化碳。同时该合成气体除作为燃料之外，还可以作为原材料，合成各种化工产品，如燃料、药品、塑料和化学肥料等。

Erwin Reisner教授说；“您可能没有听说过合成气本身，但是每天都会消费和使用合成气制造的产品。能够可持续地生产合成气对于全球碳循环以及建立可持续的化学和燃料工业而言是至关重要的一步。”为了实现这个目标，Erwin Reisner教授努力了7年的时间。

该论文的第一作者，博士生维吉尔·安德烈（Virgil Andrei）说：“这意味着不仅限于在温暖的国家使用该技术，也不只是在夏季使用该技术。可以在世界任何地方从黎明到黄昏使用它。还开发了其他“人造叶”装置，但这些装置通常只会产生氢气。之所以能够持续生产合成气，是因为他们使用了多种材料和催化剂。

人造树叶装置包括最先进的钙钛矿光吸收剂，与由硅或染料敏化材料制成的传统光吸收剂相比，该钙钛矿光吸收剂可提供高的光电压和电流来驱动化学反应，从而将二氧化碳还原为一氧化碳。同时考虑到装置的成本问题，Erwin Reisner教授考虑使用钴代替铂或者银作为分子催化剂。与铂或者银相比，钴元素的成本非常低，而且在催化二氧化碳产生一氧化碳的过程中的催化效果更好。

Erwin Reisner教授表示：“接下来要做的是先将二氧化碳和水一步合成液态燃料，而不是先制造合成气体再将其转化为液态燃料，使用这种技术来生产可持续的液体燃料替代汽油的方法。

Erwin Reisner教授说：“尽管利用风能和光伏等可再生能源发电已取得了巨大进步，但合成汽油的发展至关重要，因为目前电力仅能满足我们全球总能源需求的25％。对液体燃料的主要需求是可持续地为运输和航空等提供动力。”

安德烈（Andrei）说：“我们的目标是可持续生产乙醇等可轻松用作燃料的产品。利用二氧化碳还原反应从阳光中一步一步生产它具有挑战性。但是我们有信心，我们将朝着正确的方向前进，而且我们拥有正确的催化剂，因此我们相信我们将能够生产出一种装置可以在不久的将来证明这一过程。”

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41563-019-0501-6