人造光合作用如何工作

为了重新创建植物完善的光合作用，能量转换系统必须能够做两个关键的东西（可能是某种类型的纳米管内部，它用作结构性“叶子”）：收获阳光和分裂水分子。

植物使用叶绿素完成这些任务，叶绿素捕获阳光，以及使用这种阳光来分解h的蛋白质和酶的集合₂O分子变成氢、电子和氧(质子)。然后电子和氢被用来转化CO₂进入碳水化合物，并排出氧气。

为了让人工系统满足人类的需求，输出必须改变。在反应结束时，它不仅会释放氧气，还会释放液态氢(或者甲醇)。这种氢可以直接作为液体燃料使用，也可以导入燃料电池。让这个过程产生氢不是问题，因为它已经存在于水分子中了。捕获阳光不是问题——目前的太阳能系统就能做到这一点。

困难的部分是分裂水分子，以获得必要的电子，以促进化学过程产生氢。劈水需要大约2.5伏特的能量输入[来源:猎人］．这意味着这个过程需要催化剂——某种东西来推动整个过程。催化剂与太阳的光子发生反应，引发化学反应。

在过去的五年或10年里，这一领域有重要进展。一些更成功的催化剂包括：

一旦完善，这些系统可能会改变我们为世界的力量。

NREL科学家John Turner展示了光电化学（PEC）细胞使用来自光源的能量产生氢的能力。

图片礼貌沃伦格雷茨，国家可再生能源实验室

化石燃料供应不足，它们加剧了污染和全球变暖。煤炭虽然储量丰富，但对人体和环境都有很高的污染。风力涡轮机破坏了如画的风景，玉米需要大片的农田，目前的太阳能电池技术既昂贵又低效。人工光合作用可能为我们摆脱能源困境提供一种新的、可能是理想的方法。

一方面，它在当今的太阳能电池板中发现了光伏电池的益处。阳光在光伏电池中的直接转化为电力的电力使太阳能能量和时间依赖的能量降低，并增加其价格。另一方面，人造光合作用可以产生可存储的燃料。

与产生替代能量的大多数方法不同，人造光合作用具有产生多于一种燃料的潜力。光合作用过程可以调整光线，CO之间的反应₂和H.₂o最终产生液体氢。液体氢可用作氢气动力发动机的汽油。它也可以汇集到燃料电池设置中，这将有效地逆转光合作用过程，通过将氢气和氧气结合到水中产生电力。氢气燃料电池可以像我们从网格中获得的东西一样发电，因此我们将使用它来运行空调和热水器。

具有大规模氢能量的一个当前问题是如何有效地和干净地产生液态氢的问题。人造光合作用可能是一种解决方案。

甲醇是另一种可能的输出。代替在光合作用过程中发射纯氢，光电化学电池可以产生甲醇燃料（CH_3.哦)。甲醇通常是从天然气中的甲烷中提取出来的，通常被添加到商业汽油中，以使其燃烧更清洁。一些汽车甚至可以单独使用甲醇。

生产清洁燃料而不产生温室气体等有害副产品的能力，使人工光合作用成为理想的环境能源。它不需要采矿、种植或钻探。由于水和二氧化碳目前都不短缺，它也可能是一种无限的能源，从长远来看可能比其他能源形式更便宜。事实上，这种光电化学反应甚至可以去除大量的有害一氧化碳₂在生产燃料的过程中。这是一个双赢的局面。

但我们还没有。在大规模规模上使用人造光合作用的方式存在几个障碍。

大自然在数十亿年的时间里完善了光合作用的过程。在合成系统中复制它并不容易。

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虽然人造光合作用在实验室中工作，但它还没有准备好批量消费。复制绿色植物自然会发生什么并不是一项简单的任务。

效率在能源生产中至关重要。植物花了数十亿年的时间来发展有效的光合作用过程;在一个合成系统中复制它需要大量的试验和错误。

作为植物中催化剂的锰在一个人造的设置中也不起作用，主要是因为锰有点不稳定。它并不持续很长时间，它不会溶于水中，使基于锰的系统略低，不切实际。另一个巨大的障碍是植物中的分子几何形状非常复杂，最精确的设置不能复制这种杂色。

稳定性是许多潜在的光合系统中的问题。有机催化剂通常降解，或者它们引发额外的反应，这可能损害细胞的工作。无机金属氧化物催化剂是一种很好的可能性，但它们必须快速工作以便有效地利用浇注到系统中的光子。这种类型的催化速度难以通过。有些具有速度的金属氧化物缺乏在另一个区域 - 丰度。

在目前的最先进的染料致敏细胞中，问题不是催化剂;相反，它是从分裂水分子中吸收质子的电解质溶液。这是细胞的重要组成部分，但它由挥发性溶剂制成，可以侵蚀系统中的其他组件。

过去几年的进步开始解决这些问题。氧化钴是稳定，快速和丰富的金属氧化物。染料致敏细胞的研究人员已经提出了一种基于非溶剂的溶液来取代腐蚀性的东西。

人工光合作用的研究正在加快步伐，但它不会很快离开实验室。这种类型的系统至少需要10年的时间才能成为现实。博博］．这是一个很有希望的估计。有些人不确定它是否会发生。然而，谁能不希望人造植物的行为像真的植物一样呢?