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大約在28億年前，地球上開始出現(xiàn)放氧光合作用，隨之引發(fā)了“大氧化事件”。這一事件顯著加速了生命的演化進(jìn)程，最終促成了高度文明的人類社會出現(xiàn)。

然而，如今人類對化石能源的過度使用，導(dǎo)致地球溫室氣體含量急劇增加，引發(fā)了嚴(yán)重的氣候變化問題；同時(shí)，地球有限的化石能源儲備也在日益枯竭，能源危機(jī)迫在眉睫。人類社會的可持續(xù)發(fā)展面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，確保人類能夠在地球上持續(xù)生存和發(fā)展？人工光合作用可能是一個(gè)關(guān)鍵的答案。

柳華杰

同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院教授、副院長

張鵬

湖南工業(yè)大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院

可持續(xù)發(fā)展與“雙碳”目標(biāo)

可持續(xù)發(fā)展的概念最早在20世紀(jì)80年代被廣泛提及，1987年，在世界環(huán)境與發(fā)展委員會發(fā)布的《我們共同的未來》報(bào)告中，明確了其定義：“既滿足當(dāng)代人的需求，又不對后代人滿足其需求的能力構(gòu)成危害的發(fā)展。”

這一定義強(qiáng)調(diào)了當(dāng)前和未來之間的平衡，核心是確保在追求經(jīng)濟(jì)增長和社會進(jìn)步的同時(shí)，不破壞環(huán)境，不消耗未來發(fā)展所需的資源。

“雙碳”目標(biāo)，即“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)，是在2020年9月22日由中國國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上首次正式宣布的。碳達(dá)峰是指中國力爭于2030年前達(dá)到二氧化碳排放的峰值，即碳排放不再增長并開始下降。碳中和則是指中國力爭在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，即通過減少溫室氣體排放和增加碳吸收等手段，使得凈碳排放量為零。

通過實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，中國不僅能為應(yīng)對全球氣候變化作出重大貢獻(xiàn)，也能為推動國內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會的綠色轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)長遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵之一是大力發(fā)展清潔能源。清潔能源指的是在生產(chǎn)和使用過程中污染排放低至或接近零的能源類型，它們對環(huán)境友好且可持續(xù)利用。目前，清潔能源包括太陽能、風(fēng)能、海洋能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能、氫能以及核能等。

清潔能源的核心在于減少或避免傳統(tǒng)化石能源導(dǎo)致的負(fù)面環(huán)境影響，尤其是減少溫室氣體的排放。

推廣使用清潔能源對于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、保護(hù)環(huán)境以及推動可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

理想的清潔能源——太陽能

太陽能是指來自太陽的輻射能量，這種能量主要以光和熱的形式到達(dá)地球。太陽能是地球上最豐富的能源之一，是一種極為理想的清潔能源。

首先，太陽能相對于地球生命而言，是取之不盡用之不竭的，并且每年地球接收到的太陽輻射能量（130萬億噸煤產(chǎn)生的能量）遠(yuǎn)超全球能源消耗的總量。

其次，因?yàn)樘柟庵苯诱丈涞降厍虮砻妫蕴柲軒缀鯖]有地域限制，無須開采和運(yùn)輸即可直接開發(fā)和利用。

最后，太陽能的利用過程不涉及燃燒化石燃料，因此不會產(chǎn)生溫室氣體、空氣污染物或廢棄物，極大地減少了對環(huán)境的負(fù)面影響。

也因如此，轉(zhuǎn)化利用太陽能是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑之一。

雖然太陽能具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是目前人類對太陽能的利用仍然相對有限。當(dāng)前較為成熟的太陽能利用方式主要包括將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，以及將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，即光伏發(fā)電。

然而，盡管這些技術(shù)在效率和經(jīng)濟(jì)性方面取得了顯著進(jìn)展，但是熱能和電能的使用存在局限性并且難以存儲。

鑒于此，將太陽能直接轉(zhuǎn)化為功能多樣且易于存儲和運(yùn)輸?shù)幕瘜W(xué)品，在未來可能更具前景和吸引力。這種轉(zhuǎn)化方法能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的局限，可以提供更多靈活的能源儲存和應(yīng)用選擇。

自然界中存在一個(gè)完美的將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)品的案例，那就是我們熟知的光合作用。

當(dāng)太陽光照射到地球表面時(shí)，地球上的高等植物、藻類以及藍(lán)細(xì)菌等利用太陽光，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣和糖類。氧氣能供給人類呼吸，糖類的使用范圍則更廣，例如作為食物來源、能源物質(zhì)、生活用品、建筑用材等。

在工業(yè)革命以前，人類活動幾乎完全依賴天然的光合作用。人類進(jìn)入工業(yè)社會之后，所使用的化石燃料也均是來自遠(yuǎn)古的天然光合作用產(chǎn)物。

天然光合作用

我們在此介紹的是自然界中最常見的放氧光合作用，在太陽光的照射下，高等植物、藻類、藍(lán)細(xì)菌等利用吸收的太陽能，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣和糖類。這一過程的總體化學(xué)反應(yīng)方程式為：

6CO2 + 6H2O + 光能 →

C6H12O6 + 6O2

光合作用實(shí)際上分為兩個(gè)主要階段：光反應(yīng)和暗反應(yīng)。

光反應(yīng)階段通過利用光能使水分子發(fā)生光解，生成氧氣、腺苷三磷酸（ATP）和還原型輔酶Ⅱ（NADPH）。該階段關(guān)鍵在于將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲存在ATP和NADPH中。

暗反應(yīng)不直接依賴光能，而是利用光反應(yīng)生成的高能化合物ATP和NADPH，將二氧化碳固定并轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的糖類物質(zhì)。

暗反應(yīng)過程也被稱為卡爾文循環(huán)，以科學(xué)家梅爾文·卡爾文（Melvin Calvin）的名字命名，他主導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了二氧化碳固定途徑。憑借這一突出貢獻(xiàn)，卡爾文于1961年獲得了諾貝爾化學(xué)獎。

葉綠體是光合作用的關(guān)鍵場所。葉綠體的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，外部由兩層膜包裹，分別是外膜和內(nèi)膜。內(nèi)膜內(nèi)部存在一種特殊的囊狀結(jié)構(gòu)，稱為類囊體。類囊體通常呈圓盤狀，彼此疊加形成層疊結(jié)構(gòu)，是光合作用光反應(yīng)真正發(fā)生的場所。

葉綠體結(jié)構(gòu)示意圖

光合作用反應(yīng)機(jī)理示意圖

光合作用的第一步發(fā)生在類囊體的膜上。

當(dāng)太陽光照射到葉綠體時(shí)，類囊體膜上的葉綠素吸收光能，并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。這一過程引發(fā)了水的分解，生成了氧氣、質(zhì)子和高能電子。這些高能電子作為能量載體驅(qū)動了后續(xù)的能量分子ATP和NADPH的生成。之后，ATP和NADPH作為能量載體，進(jìn)入葉綠體基質(zhì)推動光合作用暗反應(yīng)階段發(fā)生。

在暗反應(yīng)中，二氧化碳在ATP和NADPH提供的能量作用下，經(jīng)過一系列酶催化反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化為糖類，實(shí)現(xiàn)太陽能的穩(wěn)定儲存。

光合作用的核心在于光反應(yīng)，光反應(yīng)的關(guān)鍵是捕獲太陽能并產(chǎn)生和傳遞高能電子。在這個(gè)過程中，光合色素起著至關(guān)重要的作用。

葉綠素a是反應(yīng)中心的主要色素，能夠吸收光能并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高能電子；葉綠素b和類胡蘿卜素則作為天線色素或捕光色素，不直接參與化學(xué)反應(yīng)，而是負(fù)責(zé)捕獲光能并將其傳遞給反應(yīng)中心的葉綠素a。

在光合作用中，葉綠素a分別在光系統(tǒng)Ⅱ和光系統(tǒng)I中以反應(yīng)中心色素P680和P700的形式發(fā)揮作用。

P680在吸收光能后進(jìn)入激發(fā)態(tài)，啟動水分解和高能電子傳遞。水分解釋放氧氣，高能電子通過細(xì)胞色素b6f復(fù)合物最終到達(dá)光系統(tǒng)I。

在光系統(tǒng)I中，P700吸收光能再次給高能電子補(bǔ)充能量，使之能夠啟動后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)。

光系統(tǒng)Ⅱ和光系統(tǒng)I通過電子傳遞鏈相互協(xié)調(diào)工作，確保光反應(yīng)的順利進(jìn)行，并高效地將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，最終生成ATP和NADPH，為光合作用的暗反應(yīng)階段提供必要的能量支持，用于二氧化碳的固定，即卡爾文循環(huán)。

天然光合作用通過高效的能量傳遞和轉(zhuǎn)換，不僅為植物合成了生長所需的糖類和能量，還為地球上其他生命體提供了必需的氧氣和食物。

然而，天然光合作用的太陽能利用效率較低，通常僅為0.1%，最高不超過6%。低利用率主要緣于葉綠素對太陽能光譜的吸收范圍有限，僅能有效吸收藍(lán)光和紅光，而大部分太陽能無法被吸收利用。此外，天然光合作用的最終產(chǎn)物以糖類為主，難以直接作為燃料或高附加值化學(xué)品使用。

因此，在當(dāng)今能源和物質(zhì)消耗巨大的背景下，僅依靠天然光合作用難以滿足人類活動的需求。

人工光合作用

人工光合作用顧名思義是一類人為模擬或改造天然光合作用的化學(xué)過程，可以是任何一種將太陽能儲存到化學(xué)鍵中的人工技術(shù)，旨在突破天然光合作用在效率和產(chǎn)物上的限制，從而實(shí)現(xiàn)高效、靈活地轉(zhuǎn)化和利用太陽能。

光催化水分解技術(shù)是人工光合作用的基礎(chǔ)，也是當(dāng)前主要研究方向之一。

根據(jù)反應(yīng)機(jī)理，人工光合作用可以分為一步光激發(fā)反應(yīng)體系和兩步光激發(fā)反應(yīng)體系。

在一步光激發(fā)反應(yīng)體系中，光功能材料（通常為半導(dǎo)體）在光激發(fā)下，導(dǎo)帶中的電子（e?）參與生成氫氣的還原反應(yīng)，而價(jià)帶中的空穴（h+）參與生成氧氣的氧化反應(yīng)。

兩步光激發(fā)反應(yīng)體系則更接近天然光合作用，光功能材料Ⅰ受光激發(fā)后，價(jià)帶中的空穴發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣，而導(dǎo)帶中的高能電子則通過電子傳遞介質(zhì)轉(zhuǎn)移到光功能材料Ⅱ中。光功能材料Ⅱ受光激發(fā)后，電子躍遷至導(dǎo)帶，參與還原反應(yīng)生成氫氣。

一步光激發(fā)反應(yīng)體系由于僅使用單一光功能材料系統(tǒng)較為簡化，并且能夠直接從光激發(fā)中產(chǎn)生高能電子和空穴，可以快速進(jìn)行還原和氧化反應(yīng)。然而，由于電子和空穴的遷移距離通常較短，空穴-電子復(fù)合率高，限制了系統(tǒng)整體的光催化效率。此外，一步光激發(fā)反應(yīng)體系對于材料的要求很高，所需要的單一材料必須具備合適的導(dǎo)帶、價(jià)帶，并且要實(shí)現(xiàn)全解水，帶隙必須大于1.23電子伏特。半導(dǎo)體材料的空穴-電子復(fù)合率一定要低，并且還需要具備高效的表面催化活性。

在兩步光激發(fā)反應(yīng)體系中，由于可以選擇具有不同光吸收和催化特性的材料進(jìn)行組合，大大地拓寬了材料的選擇范圍，并且因?yàn)榇嬖谳^長的電子傳遞途徑，空穴－電子復(fù)合概率較小。但是，因?yàn)樾枰娮觽鬟f介質(zhì)，所以系統(tǒng)成分比較復(fù)雜，對電子傳遞介質(zhì)的選擇和優(yōu)化往往會限制體系的發(fā)展。

根據(jù)人工光合作用體系的組成成分，可以分為全人工光合作用體系和半人工光合作用體系。

全人工光合作用體系內(nèi)的所有物質(zhì)均為人工合成制備，不含天然成分。全人工光合作用是完全人為模擬和重構(gòu)天然光合作用的化學(xué)過程，因此可以更加靈活不受天然成分的限制。然而，雖然全人工光合作用在反應(yīng)效率方面取得了顯著突破，但是在穩(wěn)定性和催化特異性方面仍然存在一定缺陷。

半人工光合作用體系則是將人工材料與生物活性材料結(jié)合使用，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)全人工光合作用與天然光合作用的優(yōu)勢互補(bǔ)。例如，通過將高效的光功能材料耦合生物成分（酶或者全細(xì)胞），則可以實(shí)現(xiàn)既具備高效的光能利用效率，又具備較高的穩(wěn)定性和催化特異性。

人工光合作用反應(yīng)機(jī)理示意圖

人工光合作用體系的表現(xiàn)形式

人工光合作用的表現(xiàn)形式一般也分為兩種，一種是顆粒懸浮體系，另一種是電池體系。

顆粒懸浮體系是將所有的反應(yīng)成分混合在一起，在一個(gè)溶液體系內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，因此體系構(gòu)建相對簡單，適合規(guī)模化應(yīng)用。但是由于所有成分混合在一起，不同成分之間存在干擾，容易產(chǎn)生逆反應(yīng)和副反應(yīng)，從而造成整體反應(yīng)效率較低。

相比之下，電池體系通過外部導(dǎo)線傳遞電子，可以將發(fā)生氧化反應(yīng)的光陽極與發(fā)生還原反應(yīng)的光陰極分隔開，從而減少了不同組分之間的干擾。因此，光陽極、光陰極可以在各自相對適宜的電解池中進(jìn)行各自相應(yīng)的反應(yīng)，從而整體反應(yīng)效率較高且易于外界調(diào)控。然而，電池體系的構(gòu)建成本較高，在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)面臨一定挑戰(zhàn)。

除了光催化水分解，人工光合作用還可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳還原，生成如一氧化碳、甲醇、乙醇、甲酸和乙酸等燃料和化工原料；可以進(jìn)行固氮反應(yīng)，將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨氣，氨氣既是一種重要的化工原料，又是一種不含碳的理想燃料。

基于綠藻的半人工光合作用制氫

氫氣作為能源物質(zhì)擁有能量密度高、零碳排放、應(yīng)用場景豐富的優(yōu)勢，并且其燃燒之后的產(chǎn)物為水，水又可以用于生產(chǎn)氫氣，因此氫氣是一種非常符合可持續(xù)發(fā)展愿景的能源物質(zhì)。

在諸多以水為原料制備氫氣的技術(shù)中，人工光合作用因?yàn)槭侵苯永霉饽芰呀馑茪洌邆浜唵沃苯印⒁子谝?guī)模化應(yīng)用的優(yōu)勢。但是，由于全人工光合作用體系的穩(wěn)定性不高，應(yīng)用于長時(shí)間穩(wěn)定制氫仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。相比之下，半人工光合作用體系的優(yōu)勢在于其使用的活體生物材料具有自我修復(fù)和復(fù)制繁殖能力，這為其長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了可能。

綠藻作為一種易于培養(yǎng)的低等植物，其光合作用效率顯著高于高等植物，并且在厭氧條件下可以表達(dá)[鐵鐵]-氫化酶，能夠高效地催化氫氣產(chǎn)生，是一種理想的可用于轉(zhuǎn)化太陽能制備氫氣的活體生物材料。

綠藻通過光合作用產(chǎn)生氫氣的原理示意圖

人工綠藻聚集體光合作用制氫的原理示意圖

然而，[鐵鐵]-氫化酶對于氧氣極度敏感，綠藻在進(jìn)行天然放氧光合作用的時(shí)候，幾乎不會產(chǎn)生氫氣。因此，如何在綠藻光合作用放氧的同時(shí)，保證[鐵鐵]-氫化酶的活性，成為科學(xué)家們亟須解決的難題。

對此，生物學(xué)家首先想到的是利用遺傳學(xué)思路改造綠藻，以獲得基因工程綠藻從而實(shí)現(xiàn)直接利用光合作用制氫。不過，基因改造的綠藻傳代穩(wěn)定性較差，在傳代過程中易丟失人為改造的基因而再次野化。為了保證遺傳改造的綠藻能夠成為優(yōu)勢種群，通常需要加入抗性基因，利用抗生素進(jìn)行篩選。然而，抗性基因和抗生物素均存在污染自然環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，因此，在實(shí)際應(yīng)用方面存在諸多挑戰(zhàn)。

與之不同的是，化學(xué)家通過化學(xué)手段找到了可以使自然野生型綠藻光合作用制氫的方法。其中最具代表性的方法是構(gòu)建綠藻聚集體實(shí)現(xiàn)光合作用制氫：首先將游離的綠藻形成聚集體，然后借助聚集體產(chǎn)生的遮光效應(yīng)來抑制光系統(tǒng)Ⅱ釋放氧氣，從而在聚集體內(nèi)部可以形成局部厭氧環(huán)境激活[鐵鐵]-氫化酶的活性。

這種通過構(gòu)建人工綠藻聚集體使綠藻光合作用制氫的方法，適用于自然野生型綠藻，并且只需依賴簡單的化學(xué)物質(zhì)，如化學(xué)絮凝劑，在常規(guī)培養(yǎng)條件下即可將綠藻形成聚集體結(jié)構(gòu)，因此極具規(guī)模化應(yīng)用潛力。

結(jié) 語

太陽能的轉(zhuǎn)化利用是人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，人工光合作用是最為重要的轉(zhuǎn)化利用太陽能的技術(shù)方案之一。通過人工光合作用的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)高效靈活地轉(zhuǎn)化利用太陽能。

盡管人工光合作用目前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室尺度取得了諸多突破，但是走向?qū)嶋H應(yīng)用仍面臨許多挑戰(zhàn)。其中最為主要的挑戰(zhàn)是穩(wěn)定性較低和成本較高，解決上述問題則需要依賴新材料的開發(fā)設(shè)計(jì)。將活體生物材料與人工功能材料結(jié)合，構(gòu)建半人工光合作用體系，是一個(gè)具有前景的發(fā)展方向。

低成本的活體生物材料綠藻具備光合作用制氫的潛力，解決光系統(tǒng)Ⅱ釋放的氧氣抑制[鐵鐵]-氫化酶的活性，以及[鐵鐵]-氫化酶獲得光生電子比例低的問題，綠藻將成為用于轉(zhuǎn)化太陽能制氫的理想活體生物材料。

如何提升綠藻對太陽能的利用效率是未來必須考慮和解決的問題，綠藻天然的光合作用對太陽能的利用效率很低，利用人工光功能材料增強(qiáng)綠藻光合作用制氫效果是未來一個(gè)重要的研究方向。

當(dāng)然，人工光合作用除了能分解水制氫外，氨和甲醇也將會是未來人工光合作用主要的目的合成產(chǎn)物。

氨是農(nóng)業(yè)肥料的關(guān)鍵成分，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。擺脫對傳統(tǒng)高能耗的氨合成工藝的依賴，實(shí)現(xiàn)氨的低能耗綠色生產(chǎn)，對于環(huán)境與農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

人工光合作用合成氨是一條理想的綠色工藝途徑，然而，由于氮?dú)夥肿臃浅７€(wěn)定，直接將其還原為氨需要克服很高的活化能，因此對人工光催化材料的要求很高。相較之下，利用固氮酶或者固氮細(xì)菌構(gòu)建半人工光合作用體系合成氨，則可同時(shí)規(guī)避體系能耗需求高與對光催化材料要求苛刻的兩大問題。然而，此方法目前還處于初期實(shí)驗(yàn)研究階段。未來如果能夠克服半人工光合作用體系的共性問題，即體系難以長期保持穩(wěn)定和高效性，那么半人工光合作用合成氨將會得到長足發(fā)展。

甲醇既是一種重要的化工原料也是一種理想的液體燃料（甲醇燃燒雖然會排放二氧化碳，但是二氧化碳又可以作為制備甲醇的原料，因此甲醇是一種碳中性的燃料）。利用人工光合作用固定二氧化碳制備甲醇更加接近天然光合作用的反應(yīng)過程。

目前，利用人工催化劑已經(jīng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)氫氣和二氧化碳反應(yīng)生成甲醇，并且這一反應(yīng)過程無需光照，類似光合作用的暗反應(yīng)，而氫氣則是光解水產(chǎn)生的，類似天然光合作用光反應(yīng)的產(chǎn)物NADPH。因此只需要光催化水分解技術(shù)發(fā)展成熟，即可很好地利用人工光合作用制備甲醇。

-本文刊載于《世界科學(xué)》雜志2026年第4期“大家·科技前沿”欄目；文章根據(jù)筆者在上海市科學(xué)技術(shù)普及志愿者協(xié)會主辦的“海上科普講壇”上的報(bào)告撰寫而成-

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