作為三大化石燃料之一，石油已經滲入到生產、生活的各個方面，促進人類文明的進步和社會的發展。近日，伊朗國家石油公司的一艘油輪在沙特西部吉達港附近的紅海海域發生爆炸，造成大量原油洩漏。事件發生後，國內原油短線跳漲，漲幅超3%，油服、油運等石油相關多隻個股大漲，足見石油對我們生活的影響。

根據英國石油公司的2019年世界能源統計年鑑指出，石油還夠人類使用50年。想象一下，假如有一天，世界上沒有石油這種燃料，我們的生活又會受到什麼影響呢？為了應對化石能源短缺帶來的一系列問題，世界各國科學家積極探索新技術、新發現，努力開發出可替代的新能源、新材料。

近日，劍橋大學化學系Erwin Reisner教授團隊在Nature子刊Nature Materials上發表名為“Bias-free solar syngas production by integrating a molecular cobalt catalyst with perovskite–BiVO4 tandems”的文章。該文章系統闡述了以鈣鈦礦、碳奈米管等催化劑和原料合成一種新材料，該材料就像樹葉一樣，能夠以水和二氧化碳為原料，太陽能為能量，進行“光合作用”產生氫氣和一氧化碳合成氣體。該團隊接下來將以此技術為基礎，使用人造樹葉直接合成液體燃料，以替換汽油等化工燃料。

研究預覽：以水和二氧化碳為原料通過光電化學（PEC）反應合成氣體是發展碳迴圈經濟最由吸引力的技術。但是常用催化劑存在過高的電勢、選擇性低和較高的成本等限制因素為這種可持續的能源轉化過程提出了挑戰。在這篇文章中，劍橋大學化學系Erwin Reisner教授團隊將鈷卟啉催化劑與三陽離子混合鹵化物鈣鈦礦和BiVO4光吸收劑整合在一起固定在碳奈米管上。該物質展示了高度可調的光電化學（PEC）反應感應合成氣體。

文中使用統計方法進行資料分析了在低催化劑負載下的電極的最佳選擇性。在低至0.1太陽的光照強度下，鈣鈦礦光電陰極可選擇性的保持CO2水溶液狀態，從而減少一天的輻射，即使在低太Sunny照強度下也可提供最大限度地利用日光的途徑。在1個太Sunny照強度下，鈣鈦礦–BiVO4光電化學反應（PEC）膜可以連續三天維持無偏合成氣的產生並與水氧化。以太陽能為能量來源，該裝置的H2和CO的太陽能轉化效率分別為0.06％和0.02％，並且能夠在中性pH溶液中作為獨立的人工葉片執行。

劍橋大學化學系Erwin Reisner教授團隊的這篇文章的創新點：受到自然界樹葉的光合作用啟發，開發出人造樹葉。光合作用是植物利用太Sunny的能量將二氧化碳轉化為食物的自然過程，這是自然界幾乎所有能量的基本來源，該樹葉能以太陽為能源、二氧化碳和水為原料，合成燃料氣體氫氣和一氧化碳混合氣體，最終可用於開發可持續的液體燃料替代汽油等化工燃料。

在人造葉子上，類似於吸收Sunny的植物中的分子的兩種光吸收劑與由天然豐富的元素鈷製成的催化劑結合在一起，當裝置浸入水中時，一個光吸收劑會使用催化劑產生氧氣。另一個進行化學反應，將二氧化碳和水還原為一氧化碳和氫氣，形成合成氣混合物。

該論文的作者，劍橋大學化學系的教授Erwin Reisner教授和他的學生Virgil Andrei接受了媒體的採訪。

劍橋大學的Erwin Reisner教授已經採用各種測試手法證明，這種碳平衡裝置在太陽能燃料領域樹立了新的標杆，該裝置可以以可持續、簡單的方式直接生產天然氣，即氫氣和一氧化碳的合成氣體。與化石燃料相比，該系統以太Sunny為能源，甚至是在陰天、下雨天，仍然可以有效地工作。

與當前生產合成氣的工業過程不同，“人造葉片”不會向大氣釋放任何額外的二氧化碳。同時該合成氣體除作為燃料之外，還可以作為原材料，合成各種化工產品，如燃料、藥品、塑料和化學肥料等。

Erwin Reisner教授說；“您可能沒有聽說過合成氣本身，但是每天都會消費和使用合成氣製造的產品。能夠可持續地生產合成氣對於全球碳迴圈以及建立可持續的化學和燃料工業而言是至關重要的一步。”為了實現這個目標，Erwin Reisner教授努力了7年的時間。

該論文的第一作者，博士生維吉爾·安德烈（Virgil Andrei）說：“這意味著不僅限於在溫暖的國家使用該技術，也不只是在夏季使用該技術。可以在世界任何地方從黎明到黃昏使用它。還開發了其他“人造葉”裝置，但這些裝置通常只會產生氫氣。之所以能夠持續生產合成氣，是因為他們使用了多種材料和催化劑。

人造樹葉裝置包括最先進的鈣鈦礦光吸收劑，與由矽或染料敏化材料製成的傳統光吸收劑相比，該鈣鈦礦光吸收劑可提供高的光電壓和電流來驅動化學反應，從而將二氧化碳還原為一氧化碳。同時考慮到裝置的成本問題，Erwin Reisner教授考慮使用鈷代替鉑或者銀作為分子催化劑。與鉑或者銀相比，鈷元素的成本非常低，而且在催化二氧化碳產生一氧化碳的過程中的催化效果更好。

Erwin Reisner教授表示：“接下來要做的是先將二氧化碳和水一步合成液態燃料，而不是先製造合成氣體再將其轉化為液態燃料，使用這種技術來生產可持續的液體燃料替代汽油的方法。

Erwin Reisner教授說：“儘管利用風能和光伏等可再生能源發電已取得了巨大進步，但合成汽油的發展至關重要，因為目前電力僅能滿足我們全球總能源需求的25％。對液體燃料的主要需求是可持續地為運輸和航空等提供動力。”

安德烈（Andrei）說：“我們的目標是可持續生產乙醇等可輕鬆用作燃料的產品。利用二氧化碳還原反應從Sunny中一步一步生產它具有挑戰性。但是我們有信心，我們將朝著正確的方向前進，而且我們擁有正確的催化劑，因此我們相信我們將能夠生產出一種裝置可以在不久的將來證明這一過程。”

文章連結：

https://doi.org/10.1038/s41563-019-0501-6