什么是人工光合作用？

什么是人工光合作用？

2024/07/26

首次发布于 2022 年 4 月 27 日

这项技术始于模仿植物的光合作用机制，有望作为不同于太阳能发电的能源生产方式。 30年来一直走在研究前沿的全球零排放研究中心（GZR）于2023年公布了氮化钽光电极的理论阐明结果，该光电极可以利用太阳光高效分解水并产生氢气和氧气。通过这种方式，我们利用最新技术加速研究和开发，走向实际应用。我们向人工光合作用研究组首席研究员、组长佐山一宏询问了人工光合作用的现状和挑战。

人工光合作用的当前位置

什么是人工光合作用

　人工光合作用简单来说就是一种将太阳能直接转化为化学能并储存起来的技术。它的功能与植物叶绿体相同，利用水和二氧化碳产生氧气和糖。自然光合作用是植物进行的，而人类则是利用工具进行的，所以称为人工光合作用。

能够直接利用太阳能的技术非常有限。到目前为止，能源利用主要有三种类型：太阳能电池、生物质能和太阳能热利用。

• 太阳能电池利用光伏效应的发电方法。将阳光转化为电能。
• 生物质源自植物和动物的生物资源。通过直接燃烧或使用由其制成的燃料来发电。
• 太阳能热利用：利用阳光加热的水和溶剂进行发电和供应热水，减少能源消耗。

　人工光合作用将太阳光直接转化为氢等能量，作为一项非常有前途的技术，可以储存传统方法难以实现的能量。

　研究始于 20 世纪 70 年代初，即石油危机时期，到 1980 年左右，最终报道了大约四种类型的水分解光催化剂。当我们想到光合作用时，我们会模糊地想象阳光下的反应，但当时所有反应都使用紫外线。 AIST 于 2001 年宣布了世界上第一个利用可见光的人工光合作用。(2001/12/6 新闻稿）

先前的研究一直在寻找用单一类型的光催化过程完成光合作用反应的方法。然而，自然光合作用由两步光吸收过程组成。因此，通过模仿这一机制，AIST在世界上首次实现了利用可见光的人工光合作用。日本在这一领域的研究继续领先世界。

 

致力于消除人工光合作用的缺点

　使用太阳能最流行的方式可能是太阳能电池（太阳能发电）。它们已渗透到我们的日常生活中，作为时钟、路灯和计算器的电源，以及户外活动和灾害时的辅助电池。看到大型太阳能发电系统的机会也增加了。据说这些常见的太阳能电池的光到电的转换率（能量转换效率）约为20%。

　相比之下，在人工光合作用中，研究正在取得进展，目标是实现 3% 至 10% 或更高的转换效率，尽管这取决于反应的形式和类型。

AIST使用铋基和钨基光催化剂，技术已经先进到可以与天然植物相媲美。目前公布的最高能量转换效率值为065%。虽然现在看来数量很少，但即使是植物中转化效率最高的甘蔗，其转化率也约为22%，蓝绿藻螺旋藻的转化率约为05%，玉米的转化率约为08%。从理论上讲，未来人工光合作用的效率与太阳能电池的效率相当不是梦想。

实际应用的挑战

　尽管我们还没有达到“易于使用的系统”，但我们相信人工光合作用是有潜力解决能源问题的少数选择之一。

安全、廉价、供应稳定。有必要尽快将满足所有这些要求的系统投入实际使用。为了得到广泛传播和利用，太阳能转换系统必须成为“日常必需品”而不是“艺术品”。

　因此，迫切需要寻找能够进一步提高能量转换效率的催化剂，并创建有望实现工业盈利的系统。我们认为这些是广泛使用的主要挑战。

人工光合作用的未来

利用最新技术加快研发速度

　光催化剂的研究和开发需要研究大量样品。我们通过以不同比例混合和应用各种金属盐溶液来创建光催化薄膜样品库。例如，当每个元件暴露在光下时，测量光电流响应并将其用作性能指标。

　为了准确、快速地执行这一系列操作，我们还开发了“高速自动搜索装置”来加速素材搜索。两个机械臂精确地准备样品并将其放置在测量机上，收集的数据使用机器学习使材料探索比传统人类快一个数量级以上。

　人工光合作用的理论方面的研究也在取得进展。通过理论分析方法，我们明确了利用可见光从水中制氢的氧硫化物粉末光催化剂实现10%以上转化效率所需的粒径等条件。通过将这项研究结果的指导方针应用于其他粉末光催化剂，预计可以开发出能够更有效地从水中提取氢的新材料。 (2021/12/07 新闻稿文章）

　2023年公布的“具有纳米棒状结构的用于水分解的红色透明氮化钽光电极”是一种新型电极，可以利用太阳光高效分解水以产生氧气和氢气。通过基于理论模拟的电极设计和开发，我们已经实现了世界一流的太阳能-氢气转换效率10%。今后，我们将开发能够以更低的成本制氢的粉末型光触媒片材，并继续进行研究开发，以提高太阳能-氢转换效率，并将光触媒制氢技术推向社会。 (2023/08/18 新闻稿文章）

AIST 独创的混合系统充分利用了最佳优势

　人工光合作用的研究领域非常广泛，但在产业技术研究院，我们不仅研究利用粉末状光催化剂将水转化为氢气和氧气，而且还研究粉末状光催化剂与电解相结合的混合体。混合系统以低功率运行，还可以使用可变电源（例如阳光）分别产生氢气和氧气。我们还在利用光电极进行水分解研究，光电极是涂有光催化剂的导电基板。除了寻找廉价地制造氢气作为燃料的方法外，我们还在研究通过设计光电极材料和材料来创造具有更高附加值的产品，例如过氧化氢和次氯酸。

　我们正在努力通过选择性地生产具有高商业价值的化合物来降低整个系统的成本，这是仅靠生产氢气无法实现的。

人工光合作用的未来

　当我们说人工光合作用系统可以用作日常生活用品时，我们想象的是它们可以像植物一样对待。阳光、水和空气是地球上任何地方都容易获得的材料。目前，常见的做法是在一个地方生产能源和化学品，将其运输到长距离，并在消费点将其分离或稀释。未来，如果能源能够在需要的地方（例如家庭花园）生产所需数量的能源，那么就不需要运输、存储管理、浓缩或稀释。即使单价随着系统变小而上涨一点，但与管理成本结合起来一点也不贵。我们正在进入能源和化学品本地生产和本地消费的时代。

　我们的目标是快速开发一个任何人都可以轻松使用的系统，无论身在何处。