如何向自然界学习?人工光合作用为移民火星打下基础

作者|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,碳水化合物是人类需要的一些重要化学物质。从能量转换和储存的角度来看,太阳能转化为化学能并储存在化学品中。

能源和环境危机威胁着人类的生存

为何将二氧化碳转化为有用的化学品在过去的100年里,在人类工业化的过程中,人类消耗了大量能源,而能源的主要来源是化石燃料。目前,地球上所有人类的总能量消耗约为15太瓦,1太瓦时为10瓦12瓦,80%-90%来自化石燃料。

二氧化碳浓度在过去100年中一直在上升,目前的二氧化碳浓度为410 PPM(PPM为百万分之一)。这种浓度的数量很少,但它对所有人的生活环境都有重大影响。二氧化碳浓度越来越高,涉及全球变暖,海平面上升,环境污染,水污染,空气污染等,这意味着在未来几十年或一百年内,人类生存的环境将会有一个主要转折点。

现在,科学界对全球变暖问题抱有两种期望。人们期望在本世纪末,即2100年,全球气候温度控制在2°C左右,陆家嘴仍然是陆家嘴。但是,如果化学能量的使用量与过去100年一样多,那将导致另一种预期情况。全球平均气温将在2100年上升4°C。海平面上升造成的洪水将淹没一些沿海城市上海。纽约,旧金山,伦敦,很难逃脱。

可再生能源:从根本上解决全球变暖问题

我们怎样才能从根本上改变人类生存的能量结构?人类不可能永远依赖化石燃料。我们应该更加重视可再生能源的使用。中国的经济发展非常迅速,电力的能源消耗一直在增加。接下来,印度也会这样做,非洲也会这样做。所以人类对能量有很多要求。如果我们一直依赖化石燃料,二氧化碳排放问题只会越来越严重。从整个社会的角度来看,必须在各个方面使用可再生能源。

可再生能源一般包括太阳能,风能,水能等。太阳能电池是一种从太阳能到电能的转换,这在生活中经常遇到。在terawatt(10至12瓦)的水平上解决能量转换和存储的问题是非常困难的。从长远来看,2016年中国大部分能源结构是煤炭,占总消费量的60%,只剩下核能,水能和风能,而太阳能消耗仅占5%。尽管太阳能电池技术已经发明了六十年或七十年,但它对整个能源工业的渗透仍然相对较小。到20世纪40年代,可以预见太阳能消耗的比例将翻一番。在国家政策的指导下,随着经济的发展,可以大规模地利用水,太阳能和风能。到2040年,这将使煤的比例减少到30%,其余的将由太阳能,风能和水补充。因此,如果我们想从根本上解决全球变暖问题,我们需要大规模使用这些可再生能源。

如何在大和层面应用可再生能源?从太阳能转换的角度来看,将太阳能电池转换为电能需要一个巨大的电池系统来储存这种电能。太阳能在加利福尼亚很受欢迎,但在储存方面存在问题。白天发电,但电网不能支持,有时晚上没有电,这是非常不稳定的。在许多情况下,一些免费的太阳能被送到周围地区,亚利桑那州在夏天从加州的太阳能电池接收电力。这是一个需要从电池角度解决兆瓦级存储需求的例子。

我怎样才能实现人工光合作用?

是否有这样一种技术将太阳能转化为化学能?因为化学能的能量密度很高,正因为如此,才有利于大家对驱动等能量的需求。

人工光合作用是做什么的?现在人们开车和飞行,基本上都是用油。在这个过程中,能源被用来向大气排放二氧化碳和水。我们希望人工光合作用能把二氧化碳和水转化成汽油和各种化学物质。二氧化碳是造成全球变暖的最重要物质。碳在整个过程中被100%回收。有这样一个系统是非常有用的。

此外,化学燃料基本上是通过光合作用储存的。最终的能量来源是太阳,但它已经在地球表面储存了数十万年,所以这应该是一个相对较好的能源。最终的碳平衡解决方案,同时解决能源问题,包括二氧化碳排放的环境问题。

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那你如何实现人工光合作用呢?这涉及能量转换存储以及催化。从热力学角度来看,这种反应是可行的,因为绿叶绿色植物每天都这样做,但最终的碳化学品是不同的。绿叶光合作用每天将二氧化碳和水转化为氧气,碳变成碳水化合物,并且它可以使用自然界中仅400PPM的二氧化碳浓度来进行这种化学反应。它的最终效率(太阳能到化学能)和人工光合作用的比例不是太高,但完全能够满足其生存需求。

要在实验室中了解自然界中的光合作用,您必须首先了解其原理。

光合作用原理

前两个步骤涉及光系统I和II,两者都是有机聚合物组件。光系统I和II捕获太阳双光子,从紫外到近红外,捕获750nm的光,这被整个太阳光谱捕获。在捕获两个光子之后,在光合作用中产生电子,然后在催化剂的表面上发生化学反应以形成新的化学键,并且新的化学键倾向于具有高能量密度。

上图中左右两侧的反应是我们通常所说的半反应。左侧半反应催化剂的功能是“水氧化”,即在水分子活化后,它们分解成氧气,这里涉及生物催化剂。右边的半反应是“二氧化碳减少”,它将环境中的二氧化碳转化为碳水化合物。还涉及另一种催化剂,其具有一些金属 - 有机活化中心。伯克利的化学家在20世纪60年代和70年代获得了诺贝尔奖,澄清了绿叶中“减少二氧化碳”的机制。澄清自然界光合作用的机理后,可以在实验室进行模拟。然而,从太阳能到化学能储存效率的自然光合作用一般只有0.5%,甘蔗可以达到0.5到5个百分点。因此,在实验室中,我们不仅要学习自然界,还要更加稳定和高效。因为如果只有0.5%的存储效率,就不可能将其推广为技术,因为人类所需的能量太低了。

那么你如何模拟光合作用呢?这就是通常所说的光化学二极管。

光学二极管模拟半导体与催化剂结合的系统。在光化学二极管内部,有两种半导体,一种是P型,另一种是N型。不同的半导体具有不同的能带并且能够吸收不同的光。因此,这两种半导体的功能相当于光学系统I和II,它们也是双光子吸收。引入两个光子以激活P型半导体和N型半导体。活化后,将一些催化剂置于P型和N型半导体的表面上。在绿叶中,两半与两种催化剂反应,一种是氧化,另一种是氧化。恢复,所以在实验室中是一样的。

P型半导体表面的反应是二氧化碳的还原。减少二氧化碳可以产生多种产品,包括绿叶中的碳水化合物。另一半反应是水氧化,这是绿叶中反应的另一半。水被氧化成氧气。所以这样的光化学二极管,在实验室中集成两种催化剂和两种半导体后,最终的功能是相同的。双光子吸收加上两个半反应,最终的总反应是二氧化碳,水,加上太阳能,双光子,二氧化碳减少产物的化学物质和氧气。

因此,光学二极管和绿叶内的光合作用是相似的。当然,每个人都知道绿叶中没有硅,锗或氮化镓等半导体,这是通过有机光吸收剂和金属有机催化剂实现的。这属于从自然中学习,然后在实验室中对其进行抽象。

太阳神项目:如何向大自然学习?

2003年,美国能源部在伯克利国家实验室发起了“太阳之神”计划。其目的是向大自然学习,利用半导体和催化剂将二氧化碳转化为有用的化学物质,同时平衡:水氧化过程。

下图显示了一些棒状物。想象一下一些高比表面积(每单位重量物体的表面积。通常,比表面积越大,物体的细度越细)。一种是P型,一种是N型。在高比表面积半导体上负载两种催化剂,一种是二氧化碳还原催化剂,另一种是水氧化催化剂。总有两个半反应,有两个光吸收器。可以使整个系统完成之前所需的全部反应。这只是一个蓝图,真正将催化剂与吸收剂结合在一起。我们用了十年时间制作了第一个集成系统。

下图显示了用于减少二氧化碳的相对流行的光电阴极。硅纳米线阵列可用作光吸收剂。同时,它是能够负载催化剂的高比表面积半导体。

下图是用电子显微镜拍摄的照片。这是纳米线的三维阵列。纳米基本上是头发的万分之一到千分之一。三维高比表面积空间,可装载在催化剂表面,生物催化剂,实验室合成催化剂,可用于化学反应。

2014年,我们的实验室首先将整个系统集成到一个系统中,包括两个半导体和两种催化剂。一种半导体将水氧化成氧气,另一种半导体引入生物催化剂,将二氧化碳转化为乙酸。总体反应是什么?它是二氧化碳加水加太阳能,它变成氧气和乙酸,这是一个完全的反应。乙酸是一种非常简单但非常重要的化学中间体。一旦你有醋酸,你可以使用现有的工业技术转换成各种其他化学品,如汽油,聚合物,药物前体。这是第一次在自然光合作用中使用全反应原理,这反映在实验室的模拟材料中。

2014年,太阳能 - 化学转化效率与绿叶转化效率大致相同,达到0.5个百分点。在过去的四五年后,现在基本上是8%到10%,能量转换效率远远高于自然光合作用,尽管选择性可能与自然界不相上下。

能源工业,化学工业,制药工业,这些化学物质都是从哪里来的?现有的工业都是从地下挖出来的。人工光合作用系统可以从根本上解决这个问题。现在所有这些新事物,里面的碳都是来自大气中的二氧化碳,从根本上解决了二氧化碳的排放和循环问题。利用太阳能固定二氧化碳并将其转化为有用的化学物质,包括化学燃料,包括药品,包括人类生存所需的高分子材料,确实是可能的。

回到最初,太阳神计划在2003推出的最初设想是找到一个合成系统,将太阳能转化为化学能,然后有效地储存它。利用这样一个系统,可以利用不同的生物催化剂将二氧化碳转化为燃料、药品和商业化学品。

Mars光合中心:为Mars移民奠定基础

当太阳神项目于2003启动时,我们的愿景是解决全球变暖问题,并在地球表面再利用410 ppm的二氧化碳。在这种背景下,世界上有这样一个梦想外层空间探索。

埃隆马斯克一直说,作为火星移民,一直在研发一种新型火箭推进系统,将人类送上火星。这里有两大问题,一是怎么上去?spacex和blue origin公司一直在研究如何有效地将人类送上火星。另一个问题是人类如何在外层空间生存?因为人类需要能源、化学物质、药物、肥料等等。

2017年,NASA知道我们是一个半导体和生物系统,我们实际上可以进行人工光合作用。因此,我们首次在加州大学伯克利分校建立了空间技术研究所,以解决人类在外太空和深空的需求。能源和化学品问题。这会面临哪些科学问题?人工光合作用的这种化学反应在地球上是可行的,但它在外太空中会是什么样子?

这涉及环境问题。在地球上空,大部分是氮和氧,二氧化碳是0.04% 400PPM。人工光合作用是解决二氧化碳排放和循环的问题。火星表面的气体成分,96%是二氧化碳,它含有少量氮,氧气很少,其光强度高于地球60%,这就是为什么人工光合系统的结果出来了,美国宇航局我们的研究非常有趣的原因。

这种化学反应可以在这里使用吗?从化学的角度来看,它绝对可以。在地球上,二氧化碳的浓度为0.04%,暂时不能用于这种情况。这种浓度太薄了。现在可以完成的系统只能用于纯二氧化碳,并且必须富集大气中的二氧化碳。但是将我们的系统置于火星环境中是完全有效的,因为96%的火星大气是二氧化碳而你不需要富集它。为了生存,人类首先需要氧气。火星上加上大量的高浓度二氧化碳和水(火星表面有大量的冰),再加上太阳能,可以解决氧气问题。其次,它还可以将二氧化碳转化为一系列有用的东西。所以从化学角度来看,这个想法应该是可行的。

有趣的是,美国宇航局于2017年在伯克利建立了一个研究中心,以测试火星表面人工光合作用的未来应用。我们粗略计算一下。例如,未来将前往火星的第一批宇航员将有6或12人,并想象我们的系统可以达到一立方米(1000L)。就目前的转化效率而言,可以实现350g /天/1000L,并且转化为丁醇的量为100g /天/1000L。我们需要考虑宇航员每天,每月,每年需要多少燃料,化学品和化学品,然后进一步优化系统以继续增加产量。使用尽可能少的体积来生产尽可能多的燃料,化学品和药品对我们来说是一个非常有希望的成功。

据说二氧化碳和水的使用已成为一系列事物,但人类的生存需要肥料来种植植物,并且存在固氮的问题。 Matt Damon正在电影中受精《火星救援》。每个看过这部电影的人都知道他没有肥料。他只能用他的粪便作为肥料。但我们希望利用氮,太阳能转化为肥料,并采用与人工光合作用相同的过程。使用一些生物催化剂,它被集成到具有高比表面积的半导体中。这也是我们接下来要做的。

因此,作为一个愿景,太阳能计划于2003年启动。在十年中期,从绘制高比表面积半导体到整合人工光合作用系统,然后到实验室第一次转换碳二氧化碳和水进入所需的化学品是我们一步一步做的。