5
在
過去一個世紀，人口增長和工業化幅度驚人，使得
能源消耗大幅攀升，導致了一連串的能源危機，更對環境做
成不可逆轉的影響。為了滿足不斷增長的能源需求，已有大
量精力投放在開發可再生能源技術。科學家們很快就可以
構建不同系統，利用太陽能將水轉化為燃料，從而抵銷碳排
放，並滿足我們對能源的渴求。其中一個設計就是進行光合
作用的人工樹葉。
不久之前，太陽能還是一種未開發的自然資源。現有的
太陽能光伏電池技術有很多局限，包括低效率和間歇性發電
等，所以不能大規模商業化。另一方面，植物早在數十億年
前，就開始以我們熟悉的光合作用，利用陽光將二氧化碳和
水製成有用的葡萄糖。人工光合作用模仿這巧妙的自然過
程，理論上應能提供可儲能源和電力。不過我們想要的最終
產品不是葡萄糖，而是儲存在燃料電池的液態氫。這可以靠
分解水分子而獲得。
美國加州大學伯克萊分校的研究人員結合生物學和納
米科學，開發了一種新方法，以常見的細菌作為生物催化
劑，分解水和固定二氧化碳[1]。光合作用有兩個主要步驟:
光化反應和不需要光的固碳作用。大多數的自養生物（指
能夠利用無機物合成自身食物的生物），以葉綠體光系統
的葉綠素吸收光能，然後把水分解成氫離子、氧氣和電子。
放出的電子可以還原被光氧化的葉綠素；又或者在電子傳
遞鏈中遊走，將NADP+ 還原成 NADPH，逐漸釋出能量，
之後用於固定二氧化碳生成糖分子。
人工光合作用的做法是操控自然光合作用，通過生化
反應攔截在光系統產生的電子，然後將太陽能儲存在化學
鍵中，以待後用。這種方法須要將葉綠素之類的光合作用
系統加進太陽能電池中。最近，美國麻省理工學院的研究
人員就成功地把整個電子傳遞鏈移植到薄膜太陽能電池
[2]。
不幸地，人工光合作用仍處於起步階段，前方尚有漫漫
長路。最大的限制在於效率：人工光合作用迄今仍未突破
百分之五的光電流轉換效率，操作成本與傳統生產模式無
法相比。此外，生物催化劑價格高昂，也增加了系統的成本
[3]。
為了掃平上述障礙，柏克萊加大的研究人員放下了生
產電子和氫氣的設計，改用厭氧細菌巴氏甲烷八疊球菌和
納米硫化鎳，成功地把氫氣和二氧化碳轉化成甲烷和氧氣
（在類似的實驗中，亦可得到丁醇）。甲烷是天然氣的主要
成分，丁醇則可以在汽油中找到。兩者均可用作生產液體燃
料，然後通過現成的基礎設施儲存和運輸。
伯克萊實驗室的專家認為他們的系統可以從根本改變
化學和石油工業，生產可再生的化學品和燃料，以替代石油
開採。展望將來，人工光合作用的崛起，可能會驅散霧霾，
解決空氣污染這個長期問題。這一次，人類終於能運用大自
然的力量讓綠色的地球重生！
References
[1] Nichols, E. M., Gallagher, J. J., Liu, C., Su, Y., Resasco, J., Yu, Y., Sun, Y., Yang, P., Chang, M. C. Y., and Chang, C. J. Hybrid bioinorganic
approach to solar-to-chemical conversion (2015).
PNAS.
DOI: 10.1073
[2] Andreiadis, E. S., Chavarot-Kerlidou M., Fontecave, M., Artero V., Artificial photosynthesis: from molecular catalysts for light-driven water
splitting to photoelectrochemical cells (2011).
Photochemistry and Photobiology
NCBI. DOI: 10.1111
[3] Vesborg P. C. K., Seger, B., Chorkendorff Ib. Recent Development in Hydrogen Evolution Reaction Catalysts and Their Practical
Implementation (2015).
The Journal of Physical Chemistry.
DOI: 10.1021/acs.jpclett
Technology (MIT) have successfully extracted the
entire electron transport chain and transplanted it
onto a thin-film solar cell [2].
U n f o r t u n a t e l y , p e r f e c t i n g a r t i f i c i a l
photosynthesis is still in its nascent stages. Its
principle limitation is efficiency. At 5% efficiency,
the cost of which to operate this technology is
nowhere near comparable with that of electricity
generated from the grid. Biological catalysts are
also expensive, adding to the total cost of the
system [3].
To address these issues, researchers at the
University of California at Berkeley suggested
an alternative approach. Instead of producing
electrons and hydrogen gas, the group hybridised
the anaerobic bacteria
Methanosarcina barkeri
using nano nickel sulphide (NiS) catalysts to convert
H
2
and CO
2
to methane and oxygen (or butanol
in a similar experiment). Methane is the primary
component of natural gas, whereas butanol can
be found in petrol. Both products can be used
to produce liquid fuels that can be stored and
distributed through existing energy infrastructure.
According to experts at the Berkeley Lab, their
system has the potential to fundamentally change
the chemical and oil industry to produce chemicals
and fuels renewably as an alternative to oil mining.
The advent of artificial photosynthesis could be the
answer for the long-standing issue of air pollution –
for once, we can manipulate the forces of nature
toward greener pastures.
