利用阳光获取清洁燃料（附原文）

诸平

利用太阳能来获取清洁燃料，大家可能想到的就是太阳能的光电转化。据美国亚利桑那州立大学（Arizona State University）2019年9月3日提供的消息，该大学的研究人员可以利用光电合成电池（photoelectrosynthetic cell）从太阳能中提取清洁燃料。

亚利桑那州立大学生物设计院(Biodesign Institute at Arizona State University，Biodesign Institute at ASU)的研究人员，在新研究中描述的实验光电合成电池技术，将聚光半导体和能够产生清洁燃料的化学反应的催化材料结合在一起。随着天然能源的枯竭和人类对于能源需求的不断增长，能源供需矛盾越来越突出。为了确保有足够的能源满足人类需求，新能源开发是社会面临的最大挑战之一。以前可靠的资源——石油、天然气和煤炭——通过释放二氧化碳和其他温室气体，正在降低空气质量，破坏土地和海洋，改变全球气候的脆弱平衡。与此同时，地球上迅速工业化，人口数量预计到2050年将达到100亿。清洁替代能源是一项迫切需要解决的问题。

亚利桑那州立大学应用结构发现生物设计中心（ASU's Biodesign Center for Applied Structural Discovery）的研究人员正在探索新技术，为清洁、可持续能源铺平道路，以帮助满足令人生畏的全球能源需求。他们的最新研究成果已经于2019年8月28日在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）发表——Brian L. Wadsworth, Anna Mary Beiler, Diana Khusnutdinova, Edgar A. Reyes Cruz, Gary F. Moore. The Interplay Between Light Flux, Quantum Efficiency, and Turnover Frequency in Molecular-modified Photoelectrosynthetic Assemblies. Journal of the American Chemical Society, 2019. DOI: 10.1021/jacs.9b07295, Publication Date:August 28, 2019.

10.1021@jacs.9b07295.pdf

第一作者布莱恩·沃兹沃斯(Brian L. Wadsworth)及其合作者安娜·贝勒（Anna Mary Beiler）、戴安娜·库斯纳特迪诺瓦（Diana Khusnutdinova）、埃德加·雷耶斯克鲁斯（Edgar A. Reyes Cruz）和通讯作者加里·摩尔（Gary F. Moore）在文章中对于此项技术所涉及的聚光半导体和能生产清洁燃料化学反应的催化材料进行了描述。这项新研究探索了其主要组成部分之间微妙的相互作用，并为理解潜在的燃料形成反应勾勒了一个理论框架。研究结果提出了提高这些混合技术效率和性能的策略，使它们更接近商业可行性。

通过这些技术生产氢和还原性碳，有一天可能会取代化石燃料资源，生产范围广泛的还原性碳商品，包括燃料、塑料以及建筑材料等。亚利桑那州立大学分子科学学院的助理教授加里·摩尔说:“在这项特别的工作中，我们一直在开发将光捕获和转换技术与基于化学的储能策略相结合的系统。”这种新技术不是直接利用阳光来发电，而是利用太阳能来驱动能够产生燃料的化学反应，从而将太阳能储存在化学键中。“这就是催化作用变得极其重要的地方。这是一种控制反应选择性和驱动这些转变的总能量需求的化学过程。”

日光之下有新事

太阳能的利用自古有之，不仅应用历史悠久，而且用之不竭。以阳光作为可持续的能源，生产碳中性的能源最具吸引力。事实上，近年来太阳能技术的应用取得了显著的进展。

光伏(PV)设备也就是太阳能电池，收集阳光并将能量直接转化为电能。改进材料和降低成本使光伏成为一个有吸引力的能源选择，特别是在阳光充足的地方，如美国的亚利桑那州等地，大型太阳能电池板覆盖数英亩，能够为成千上万的家庭供电。

摩尔指出:“但是仅仅利用太阳能光伏发电是不够的。许多可再生能源，如太阳能和风能并不总是可用的，所以间歇性能源的储存是未来满足全球大规模的人类能源需求任何技术的关键部分。”正如摩尔所解释的，借用自然手册（Nature's handbook）中的一页可以帮助研究人员利用太阳的辐射能来生产可持续的燃料。摩尔说：“有一件事是清楚的，在可预见的未来，我们可能会继续使用燃料作为我们能源基础设施的一部分，特别是在涉及地面和空中运输的应用方面。这就是我们研究中受生物启发的部分变得特别重要的地方——从自然（Nature）中寻找线索，了解我们如何开发新技术来生产无碳或中性的燃料。”

太阳能天赋

大自然一个更令人印象深刻的技巧就是利用阳光来产生富含能量的化学物质，这一过程在数十亿年前就被植物和其他光合生物所掌握。摩尔说:“在这个过程中，光被吸收，能量被用来驱动一系列复杂的生化转化，最终产生出我们所吃的食物，并在很长一段地质时期内，产生我们现代社会所需的燃料。”

在目前的研究中，ASU研究小组分析了控制通过各种人工设备生产燃料的化学反应效率的关键变量。布莱恩·沃兹沃斯说:“在这篇论文中，我们建立了一个动力学模型来描述半导体表面的光吸收、半导体内部电荷迁移、电荷转移到催化剂层以及化学催化步骤之间的相互作用。”

该小组开发的模型基于一个类似的控制酶行为的框架，称为Michaelis-Menten动力学（Michaelis-Menten kinetics），它描述了酶的反应速率和反应发生的介质(或底物)之间的关系。研究者将该模型应用于集光半导体与催化材料于一体的燃料生成技术装置。

第一作者沃兹沃斯说:“我们将这些混合材料的燃料形成活性描述为光强度的函数。”(类似的Michaelis-Menten动力学模型,已被证明在分析抗原抗体结合、DNA-DNA杂化和蛋白质-蛋白质相互作用等现象方面很有用。)

在对该系统动力学进行建模时，研究小组有了一个惊人的发现。摩尔说:“在这个特殊的系统中，我们不受催化剂驱动化学反应速度的限制。我们受限于将电子传递到催化剂并激活它的能力，这与照射表面的光强有关。布莱恩（Brian）、安娜（Anna）、戴安娜（Diana）和埃德加（Edgar）在他们的实验中表明，增加光的强度会增加燃料的形成速度。”

这一发现对未来此类设备的设计具有重要意义，目的是使其效率最大化。“简单地在混合材料表面添加更多的催化剂并不会提高燃料的产量。我们需要考虑支撑半导体的吸光性能，这反过来又迫使我们更多地考虑催化剂的选择以及催化剂与吸光元件之间的界面问题。”

希望之光

在这种太阳能转化燃料的解决方案准备就绪，即将进入黄金时段之前，还有很多工作要做。要使这些技术切实满足人类使用需求的效率、可负担性和稳定性。摩尔说：“生物组件有自我修复和再生能力;技术装配在这方面受到了限制。这是一个我们可以从生物学中学到更多东西的领域。”

当务之急是如何解决能源供需矛盾。预计到本世纪中叶，全球对能源的需求将从目前的17太瓦（17 terawatts）增长到惊人的30太瓦（30 terawatts）。除了重大的科学和技术障碍，摩尔强调，深刻的政策变革也将是必不可少的。“我们如何满足未来的能源需求是一个真正的问题。如果我们要以一种注重环境和平等主义的方式来做这件事，就需要严肃的政治承诺。”

这项新研究是迈向可持续未来的漫长道路上的一步。该小组指出，他们的发现很重要，因为它们可能与涉及吸光材料和催化剂的广泛化学转化有关。摩尔说:“关键原理，尤其是光照强度、光吸收和催化之间的相互作用，也应该适用于其他材料。”

更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

ASU research graces cover of ACS journal

10.1021@jacs.9b07295.pdf

Abstract

We report on the interplay between light absorption, charge transfer, and catalytic activity at molecular-catalyst-modified semiconductor liquid junctions. Factors limiting the overall photoelectrosynthetic transformations are presented in terms of distinct regions of experimental polarization curves, where each region is related to the fraction of surface-immobilized catalysts present in their activated form under varying intensities of simulated solar illumination. The kinetics associated with these regions are described using steady-state or pre-equilibrium approximations yielding rate laws similar in form to those applied in studies involving classic enzymatic reactions and Michaelis-Menten-type kinetic analysis. However, in the case of photoelectrosynthetic constructs, both photons and electrons serve as reagents for producing activated catalysts. This work forges a link between kinetic models describing biological assemblies and emerging molecular-based technologies for solar energy conversion, providing a conceptual framework for extracting kinetic benchmarking parameters currently not possible to establish.