如何向自然界学习？人工光合作用为移民火星打下基础

　　出品| 新浪科技《科学大家》、墨子沙龙

　　撰文| 杨培东 美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士，加州大学伯克利分校教授

　　二氧化碳+水+阳光=碳水化合物+氧气，碳水化合物是人类所需要的一些重要的化学品。从能量转化和存储的角度看，就是把太阳能转化成化学能，储存在化学品当中。

　　能源与环境危机威胁人类生存

　　为什么要把二氧化碳转化成有用的化学品？过去一百多年来，在人类工业化进程当中，人类利用了大量能源，而能源的主要来源是化石燃料。现在全人类在地球上的能量总消耗大约15太瓦，1太瓦是10的12次方瓦特，80%-90%都源于化石燃料。

　　在过去一百年当中，二氧化碳的浓度一直在上升，目前二氧化碳的浓度是410PPM（PPM是百万分率）。这个浓度从数量来说很小，但它对全人类的生存环境有重大影响。二氧化碳浓度在增加，涉及到全球暖化，海平面上升，环境污染、水污染、空气污染等一系列的问题，这意味着在接下来的几十年或者一百年当中，人类生存的环境将有重大转折。

　　现在科学界在全球暖化的问题上有两种预期。一个预期是，在本世纪末——也就是2100年的时候，全球气候温度的提高控制在2℃左右，那么到时陆家嘴还是陆家嘴。但如果还像过去一百年那样，大量利用化学能源，就会导致另外一个预期的情形——在2100年的时候全球平均温度提高4℃，海平面上升引起的洪水，会淹没一部分沿海城市，上海、纽约、旧金山、伦敦，都难以幸免。

　　可再生能源：从根本上解决全球变暖问题

　　怎样才能够从根本上改变全人类生存的能源结构呢？人类不可能永远依赖化石燃料，应该更注重可再生能源的利用。中国的经济发展非常迅速，所用的能量——电力一直在增加，接下来印度也会是这样，非洲也会是这样。所以全人类对能源的要求非常多，如果一直依赖于化石燃料，二氧化碳排放的问题只会越来越糟糕。从全社会角度来看，各个方面都必须要利用可再生能源。

　　可再生能源一般包括太阳能，风能，水能等。太阳能电池是生活中经常遇到的一种从太阳能到电能的转化。要在太瓦级（10的12次方瓦特）的层面上解决能源转化与存储问题是一个非常困难的事情。从长远角度来看，2016年中国能源架构大部分都是煤，煤的消费比重占了60%，剩下的是核能、水能、风能，太阳能消费比重仅是5%。虽然太阳能电池技术发明了有六七十年，但是它对整个能源工业界的渗透至今还是比较微小。到21世纪40年代，可以预见太阳能消费比重将加倍。在国家政策引导下，随着经济的发展，大规模利用水能、太阳能、风能将成为可能。这样可以在2040年把煤的比重降低到30%，剩下的由太阳能、风能和水能补充。所以要想从根本上解决全球变暖的问题，就要大规模利用这些可再生能源。

　　怎样真正在太瓦级层面应用可再生能源？从太阳能转化的角度来看，用太阳能电池转化成电能，必须要有一个庞大的电池系统储存这些电能。在加州太阳能相当普及，但是存储上面有问题。太阳能白天发电，但电网不能支撑，晚上用电有的时候反而没电，非常不稳定。很多时候会把一些免费的太阳能向周边的地区输送，亚利桑那州在夏天会收到从加州的太阳能电池发的电。这是一个还需要从电池方面来解决太瓦级储存需求的例子。

　　怎么才能实现人工光合作用？

　　能不能有这么一个技术，从太阳能转化成化学能呢？因为化学能的能量密度非常高，正因如此，才有利于大家开车出行等能量要求。

　　人工光合作用做什么事情呢？现在人们开车、坐飞机基本上都是用油，在这个过程当中能量被利用起来，排放二氧化碳和水到大气中。我们希望人工光合作用做的事情是把二氧化碳和水，再转化成汽油以及各种各样的化学品。二氧化碳是全球暖化最重要的物质，碳在整个过程当中是100%被循环，有这么一个系统会非常有用。

　　而且，化学燃料从根本上来说，都是通过光合作用存储起来的，能量最终的来源就是太阳，只不过它在过去几十万年存储在地球的表面，所以这应该是一个相对来说比较好的、终极的碳平衡方案，同时能够解决能源问题、包括二氧化碳排放的环境问题。

　　那么怎么实现人工光合作用？这涉及到能量转化存储以及催化。这个反应从热力学角度来看是可行的，因为绿叶绿色植物每天都在做这个事情，只不过最终的碳化学品是不一样的。绿叶光合作用每天把二氧化碳和水变成氧气，碳变成了碳水化合物，而且能够利用自然界中仅400PPM浓度的二氧化碳来做这个化学反应，它的最终效率（太阳能到化学能）和人工光合作用比不是太高，但完全能够满足它生存的需要。

　　在实验室学习自然界的光合作用，首先要理解它的原理。

　　前面两个步骤涉及到光系统Ⅰ和Ⅱ，两个都是有机高分子的集成体。光系统Ⅰ和Ⅱ捕获太阳双光子，从紫外到近红外，可以一直捕捉到波长750nm的光，整个太阳能光谱它都能够捕捉。捕获双光子之后在光合作用中产生电子，之后在催化剂的表面会产生化学反应，形成新的化学键，新的化学键往往能量密度很高。

　　上图中左右两边的反应，就是我们通常所说的半反应。左边的半反应催化剂的作用是“水氧化”，也就是把水分子活化以后，分解变成氧气，这里涉及到生物催化剂。右边的半反应是“二氧化碳还原”，就是把环境当中的二氧化碳转化成碳水化合物，这里涉及到另外一个催化剂，里面有一些金属有机的活化中心。伯克利的化学家在六七十年代获得了诺贝尔奖，理清了在绿叶里面“二氧化碳还原”的机理。把自然界光合作用的机理理清之后，就可以在实验室当中进行模拟。但自然界的光合作用，从太阳能到化学能的存储效率，一般来说只有0.5%，甘蔗能够做到0.5到5个百分点。所以在实验室当中不仅要学习自然界，而且要比它更稳定，效率还要更高。因为如果只有0.5%的存储效率，作为技术来说不可能被推广——因为人类所需要的能源是太瓦级的。

　　那么怎么来模拟光合作用？这个是通常所说的光化学二极管。

　　光学二极管模拟的是一个半导体跟催化剂集成的系统，在光化学二极管里面，有两种半导体，一种是P型，另一种是N型。不同的半导体有不同的能带，能够吸收不同的光。所以这两种半导体的功能等效为光系统Ⅰ和Ⅱ，也是双光子吸收。两个光子进去，把P型的半导体和N型的半导体活化，活化以后在P型和N型半导体的表面放一些催化剂，在绿叶里面两个半反应有两类催化剂，一个是氧化，一个是还原，所以在实验室当中也是一样的。

　　P型半导体表面所做的反应就是二氧化碳的还原半反应，二氧化碳还原可以产生各种各样的产物，也包括绿叶里面的碳水化合物。另外一边的半反应就是水氧化，也就是绿叶里面另外一个半反应——水氧化变成氧气。所以这么一个光化学二极管，在实验室里面通过两类催化剂和两类半导体的集成之后，最终的功能是一样的。双光子吸收加上两个半反应，最终的全反应就是二氧化碳、水、加上太阳能，双光子，变成二氧化碳还原的产物——化学品和氧气。

　　所以，光学二极管和绿叶里面的光合作用是类似的。当然，大家知道绿叶里面没有硅、锗、氮化镓等这些半导体，都是通过有机的光吸收体和金属有机的催化剂来实现的。这属于从自然界中学习，然后在实验室里面进行抽象设计。

　　太阳神计划：如何向自然界学习？

　　2003年，美国能源部在伯克利国家实验室启动了“太阳神计划”。它的目的就是如何向自然界学习，利用半导体与催化剂，把二氧化碳转化成有用的化学品，同时还要进行平衡：做到水氧化的过程。

　　下图可以看到一些棒状的东西，设想当中是一些高比表面积（指单位重量的物体的表面积大小。通常比表面积越大，说明物体的细度越细）的半导体，一个是P型，一个是N型。在高比表面积半导体上面负载两类催化剂，一类是二氧化碳还原催化剂，一类是水氧化催化剂。这里一直有两个半反应，还有两个光吸收体。整个系统能够做出来，就能够完成前面所需要的全反应。这只是个蓝本，真正把催化剂跟吸收体集成在一起——我们用了十来年的时间才做出第一个集成体系。

　　下图是比较普及的光阴极做二氧化碳还原反应的体系，硅的纳米导线阵列，可以用它来做光吸收体，同时它是一个高比表面积的半导体，可以在上面负载一个催化剂。

　　下图是一张电子显微镜拍的照片，这是一个三维的纳米导线阵列，纳米基本上是头发丝的一千到一万分之一的尺度。三维的高比表面积空间，可以在表面负载催化剂，生物催化剂也好，实验室合成催化剂也好，都可以用来做化学反应。

　　在2014年的时候，我们实验室第一次把整个系统集成在一个体系当中，有两个半导体、两类催化剂。一个半导体做水氧化变成氧气，另外一个引入生物催化剂，把二氧化碳变成了醋酸。这里面全反应是什么样的？就是二氧化碳加上水加上太阳能，变成氧气和醋酸，这是全反应。醋酸是非常简单、但又非常重要的化学中间体。一旦有了醋酸以后，可以利用现在已有的工业技术，转化成其他各种各样的化学品，像汽油、高分子、药的前驱体等。这是利用自然界中光合作用的全反应的原理学习，第一次在实验室的模拟材料当中体现出来的。

　　在2014年的时候，太阳能到化学能转化效率大概跟绿叶的转化效率差不多，达到0.5个百分点。经过过去四五年时间，现在基本能够做到8%到10%，能量转化效率比自然界的光合作用要高得多，虽然选择性上面可能跟自然界不能比。

　　能源工业、化学工业、制药工业，所有这些化学品，其中的碳从哪里来？现有的工业都是从地底下挖出来的。人工光合作用体系能够从根本上解决这个问题，现在所有这些合成出来的新东西，这里面的碳是从大气当中的二氧化碳来的，也就从根本上解决了二氧化碳排放问题和循环问题。真正能够用太阳能，把二氧化碳固定下来，把它转化成有用的化学品，包括化学燃料，包括药品，包括人类生存所需要的高分子材料。

　　回归到一开始，在2003年启动太阳神计划最初的愿景，就是找到这样一个合成体系，把太阳能转化为化学能然后高效存储。能够用这么一个体系利用不同的生物催化剂，把二氧化碳转化成燃料、药品和商业化学品。

　　火星上的光合作用中心：为移民火星打下基础

　　2003年启动太阳神计划的时候，我们的愿景是解决全球暖化的问题，把地球表面上的410PPM的二氧化碳重新利用。在这个背景当中，全世界范围内有这样一个梦想——外太空探索。

　　伊隆·马斯克一直说要做火星移民，一直在研发新型火箭推动系统，要把人类放到火星上面去。这里面有两个重大问题，一个是怎么上去？SpaceX和Blue Origin这两个公司一直在研究如何高效的把人类送到火星。另外一个问题是人类到了外太空如何能生存下来？因为人类需要能源、化学品、药品、肥料等。

　　2017年，美国宇航局知道了我们这么一个半导体和生物体系，能够真正做人工光合作用，于是在加州大学伯克利分校第一次成立了空间技术研究所，来解决人类在外太空、深太空所需要的能源和化学品的问题。这又会面临什么科学问题呢？这样一个人工光合作用的化学反应，在地球上可行，但是在外太空会是什么样？

　　这涉及到环境问题。在地球上面，大部分是氮气和氧气，二氧化碳是0.04%——400PPM，人工光合作用就是为了化解二氧化碳的排放和循环问题。而火星表面的气体成分，96%是二氧化碳，它有一点点的氮气，很少的氧气，它的光照强度是地球上面的60%，这也是为什么人工光合体系的结果一出来，美国宇航局对我们的研究非常感兴趣的原因所在。

　　这个化学反应能不能用在这儿？从化学的角度来看，是肯定可以的。在地球上，二氧化碳浓度是0.04%，暂时还不能在这种情况下用，这个浓度太稀了。现在能够做的体系，只能在纯的二氧化碳下，需要把大气当中的二氧化碳富集，才能利用。但是把我们的系统放到火星的环境当中，是完全可以工作的，因为火星大气96%都是二氧化碳，不需要再把它富集。人类要生存，首先需要氧气，火星上大量高浓度的二氧化碳加上水（火星表面下存大量冰），再加上太阳能，能够解决氧气问题；其次，还可以把二氧化碳转化成一系列有用的东西。所以从化学的角度，这个设想应该是可行的。

　　很有意思的是，美国宇航局2017年在伯克利成立了一个科研中心，来试探人工光合作用在火星表面未来的应用。我们来粗略计算一下。比如将来去火星的第一批宇航员有6个或12个人，想像我们的系统能做到一个立方米（1000L）。以现在的的转化效率来说，能够做到350g/day/1000L，再转化到丁醇是100g/day/1000L。我们需要考虑宇航员每天、每个月、每年需要多少燃料、化学品和药品，然后进一步把这个系统优化，继续增加产量。利用尽量小的体积，来生产尽可能多的燃料、化学品加上药品，这是我们接下来要做的一个非常有希望成功的事情。

　　前面一直在说利用二氧化碳和水变成一系列的东西，但是人类生存还需要肥料来种植植物，那就有固氮的问题。Matt Damon在电影《火星救援》里在施肥，看过这个电影的大家知道他是没有肥料的，他只能利用自己的排泄物做肥料。但是我们希望能够利用氮气、太阳能转化成肥料，和人工光合作用是同样的一个过程——利用一些生物的催化剂，集成到高比表面积的半导体上面。这个也是我们接下来要做的事情。

　　所以作为一个愿景，2003年启动太阳能计划，在这十几年中间，从在图纸上画出一个高比表面积的半导体，到集成一个人工光合作用的体系，再到第一次在实验室当中把二氧化碳、水转化成所需要的化学品，这些就是我们一步一步完成的工作。

　　注：本文整理于作者在墨子沙龙上演讲，有删减，文中所有图片来自杨培东教授演讲PPT