比太陽能電池更棒的發電方法：人造光合作用

幾十年來，可再生能源的開發大致都集中在「發電」，但全世界超過60%的能量由化學燃料（主要是化石）直接供應。對抗全球暖化，減少碳排放是其中一個重要關鍵，但都受制於發電來源是「化學燃料」，要減碳始終難上加難。

事實上，在美國和其他工業化國家，許多依賴化石燃料的設備，如航空運輸，無法靠「供電」，而是必須用石油讓飛機飛行。此外，就算是要產生電能，也需要化石燃料，這既是為了滿足需求，也是為了克服風力和太陽能等可再生能源系統的間斷問題。

世界上真的存在大規模的低碳替代方案嗎？有一個大有希望的方向是「人造光合作用」。

該技術是用非生物材料直接從陽光中生產燃料。太陽是幾乎永不耗竭的能量源，而儲藏在化石燃料中的能量易得、有效、方便。人造光合作用以一種可靠的技術結合了上述優點，能夠帶來能源安全、環境可持續性以及經濟穩定。

自然的光合作用，雖然是一幅將太陽轉換成能源的美麗圖畫，但還是存在重大侷限。太陽能年淨能量轉換效率還不到1%，而且與現有的能源體系也不相容。

儘管如此，受大自然啟發而生的「人造光合作用」仍展現出龐大的潛力，並有望生產能相容於目前能源基礎設施的能量形式。此外，完全人工的系統不需要佔用適耕土地和飲用水，也不必被迫選擇是要將土地用於糧食還是燃料生產。

現有能源技術已經可以結合起來，用在從陽光中生產化學燃料，但同時實現「實用、規模化、經濟可行」仍無法做到。類似地，陽光／燃料能源轉換系統的開發成本太高。因此，研究者的當務之急，是開發結合低成本和高效率的太陽能燃料生產手段。

實現這一系統的關鍵，是利用地球具有吸收光和促進燃料生成化學反應功能的物質。正如葉綠素在自然光合作用中吸收光一樣，我們的人工系統也需要合適的物質捕獲和轉換太陽光。儘管矽的光吸收性質適合太陽能設備，但其所產生近0.5伏電壓太弱，不足以在太陽燃料生產裝置中分離水。

人工系統還需要催化劑促進化學燃料的高效生產。這些催化劑必須具有高活性、穩定性和全球適用性，由地球富裕的元素（如矽、鎳或鈷）而非現在所用的稀有金屬（如釕或銥）組成。

此外，系統的各個成分，必須以確保它們全部能夠在共同的作業條件下最優運轉的方式整合。一套可行系統還必須具備成本收益比較高的設計、生產過程和安裝方法。

最重要的是，這些系統必須安全運轉。在大部分人工光合作用的實施中，富含能量的燃料與氧氣一起生產出來，這意味著極高的爆炸風險。必須開發細胞膜或其他物理和化學隔離裝置，以可靠的方式分離各種產品。

人工光合作用系統究竟會是怎麼一副模樣？不是太陽能板，而是由類似塑料的夾層組成的薄卷，能夠按需求攤開，很像防雨夾克所用的高性能纖維。頂層材料吸收空氣中的水和二氧化碳，次層是光吸收層，利用太陽能生產燃料。在薄膜的分離下，燃料不會排放到空氣中，而是透過材料底部進入收集器，好讓現有能源供應設施使用。

在理想狀況下，太陽能燃料的生產能提供從陽光中生產的化學燃料的靈活性。在最簡單的模式中，水被分解成氫氣和氧氣。氫氣可以轉換為液體燃料，也可以與廢氣中的二氧化碳反應，或經過處理生產液體燃料用於運輸工具。或者，與自然光合作用系統一樣，催化劑能直接減少二氧化碳——在這個例子中將二氧化碳轉換為乙醇和甲烷。最有效的系統可以提供氣態或液態燃料。

奈米技術、材料科學、化學和物理學的最新進展，提供了在這方面取得快速進步的必要工具。最終的好處是摸得著的清潔技術，為我們提供安全、有保障、可持續的能源未來基礎。

納丹·路易斯（Nathan S. Lewis）是加州理工學院化學教授，人工光合作用聯合中心科學主任。威廉·若亞（William J. Royea）是加州理工學院人工光合作用聯合中心負責戰略和溝通的主任助理。

作者簡介_Project Syndicate