随着人们对能源的需求越来越大,发展可再生能源越来越迫在眉睫。太阳能是一种可再生能源,其应用也越来越广泛。但是,迫于当前科技的局限性,太阳能在很多领域仍然无法取代石油这种传统能源。

在自然界中,应用光能的典范便是光合作用。大多数植物、藻类以及某些细菌,通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量,不仅能够维持自身的需求,也为食物链的特定消费者提供了能量来源,还在不同程度上维持了地球上的氧气与二氧化碳的平衡。
自然界不仅有丰富的资源,还蕴藏着丰富的知识,以及拥有着能够激发人们无尽灵感与想象力的空间。人工光合作用,是近年来越来越被看好的一项技术,它主要的研究目的是模仿自然界的光合作用,来实现对太阳能的转化、存储以及应用。

发表于今年五月份报道的一项新研究,科学家们成功地构建了“人工叶绿体”(叶绿体是高等植物和一些藻类进行光合作用的主要场所),它不仅可以提供细胞大小的光合活性区室,还能够捕获并转化温室气体——二氧化碳。详情请参见《人工叶绿体,能量的发动机》。
最近,来自剑桥大学(Erwin Reisner教授课题组),东京大学以及信州大学(Kazunari Domen教授)的一组科学家团队,发明了一种无线设备,能够利用太阳光,将二氧化碳和水转化为甲酸和氧气。

人工光合作用最为关键的一步是将水分子裂解(氧化)为氧气、氢离子、电子。在这项最新的报道中,转化太阳能的无线设备,其核心部件为一块负载了光催化体系的薄片,其主要的活性成分为半导体粉末。在这种半导体粉末中,经氧化钌(RuO2)修饰的钼掺杂的BiVO4部分对水有着较强的氧化能力;另一部分中,经镧、铑掺杂的SrTiO3则扮演着“吸光剂”的角色。
此项新技术所提供的光能-甲酸的转化效率为0.08 ± 0.01%,产物甲酸的选择性则高达97 ± 3%。装置采用无线方式工作,并以水作为电子供体,因此对二氧化碳的利用技术提供了一种多样化的新策略,并有望成为一种可放大且可持续的工业化技术。
参考文献:
- Qian Wang et al, “Molecularly engineered photocatalyst sheet for scalable solar formate production from carbon dioxide and water”, Nat. Energy, 24 August 2020.
- Sarah Collins, “Wireless device makes clean fuel from sunlight, CO2 and water”, University of Cambridge, 24 August 2020.
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