由美国能源部资助的将太阳光、水和二氧化碳转化为液体燃料的努力已经进入了第7个年头，但这项工作仍受制于如何找到一种价格低廉且储量丰富的催化剂。同时，哈佛大学的丹尼尔·诺塞拉（Daniel Nocera）领导着另外一个项目，这个项目已经能够利用化学生物混合过程来生产异丁醇和异戊醇燃料。前能源部长朱棣文在2010年创建了人工光合作用联合研究中心（JCAP），并由加州理工学院管理，这个研究中心是许多研究计划中最大的项目，这些计划致力于研究将太阳能转化为化学燃料。其他研究项目包括诺塞拉的项目、位于瑞典乌普萨拉大学的协作项目以及由以色列理工学院科学家领导的协作项目。所有这些研究始于在光电化学电池中将水分解成氢气和氧气，接着也是更困难的一步是二氧化碳还原，最终获得碳氢燃料。

 

　　JCAP每年获得1500万美元的财政支持，它在2015年实现了第一个5年计划的目标：利用无机催化剂分解水生产出紧凑型电池雏形，并将效率提升到10％。作为JCAP的研究总监，哈利·阿特沃特（Harry Atwater）希望在下一个5年内再将效率提升到20％，达到当前商业太阳能板的水平。现在JCAP开始关注还原二氧化碳方面的挑战，这是2015年财政支持获得5年延续后提出的新目标。JCAP从加州理工学院、劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）、SLAC以及加利福尼亚大学的厄文分校和圣迭戈分校聚集了超过了100名毕业生、博士后和教员。

 

　　尽管还原二氧化碳这一步骤总体上已获得了成功，但生产的燃料产物类型并不固定。所获得的化合物从一碳分子（例如甲醇或一氧化碳）到能量更富集的多碳醇类（例如乙醇或者异丁醇），各有不同。

 

　　从二氧化碳还原获得的最基本的燃料是一氧化碳。后者的能量密度低并且有毒，但是它可以通过著名的菲托反应（Fischer-Tropsch）转化为液体燃料。甲醇的能量密度更高，可以直接作为燃料使用，或者通过另一个著名的化学转化过程转变成汽油。但是阿特沃特注意到，JCAP的设想是建造紧凑型燃料生产设备，而不需要借助精炼设备来生产成品燃料。

 

　　从水分解过程获得的氢气可以用于使用燃料电池的交通工具。尽管存在着效率问题，阿特沃特认为，目前JCAP的太阳能设备从经济水平上还无法与排放二氧化碳的商业工厂竞争，后者能够将甲醇转化为氢气，然后就可以直接在加州的加油站销售。

　　诺塞拉和哈佛研究人员帕米拉·西尔维（Pamela Silver）共同开发了人工混合光合作用工艺，这套工艺过程包含了用于水分离的无机催化过程，同时结合了吸收氢气的细菌，来帮助还原二氧化碳。诺塞拉介绍道，如果使用纯二氧化碳，太阳能转化为液体燃料的效率为5％～7％。即使使用大气环境中的二氧化碳，转化效率也能超过自然光合作用1％的水平。

 

　　阿特沃特介绍说，使用无机催化剂，而不是借助于细菌，JCAP目前已经成功将效率提升至10％，JCAP的方法是将二氧化碳还原成甲酸，所使用的设备与太阳能电池类似。尽管甲酸不可燃，但是它可以用于生产燃料电池。而且选择性生产产品的能力为我们指明了方向，即如果能够找到合适的催化剂，那么就有可能将二氧化碳和氢气合成获得单一化合物，同时避免形成双原子氢气以及其他潜在的还原副产品。

　　大多数二氧化碳还原方案仅能生产含有单个碳原子的化合物。“目前的难点在于：将一堆碳原子串联在一起，形成C2、C3和C4的分子，就像项链上的珍珠一样。”诺塞拉说。要想解决形成碳碳键的问题，其路径是绕过可转移的质子和电子的封锁，避免它们进入与生产氢气的反应竞争。

 

　　“生物学可以完美地提供解决方案，”诺塞拉认为，“它知道如何形成碳碳键，如何远离氢气，有选择地进行这一合成过程。并且它还能管理大量的质子和电子。”细菌还原过程的另一个优势是不需要借助阳光，只有水分离反应需要太阳。他进一步解释：这个分离过程可以在放大工艺的过程中减少对设计的限制。2016年，他和西尔维宣布了最新的进展，一种新型水分离催化剂，它不会产生对细菌有毒的活性氧化物，因此不会使细菌被氧化而中毒失活。

 

　　诺塞拉的中试级别1升反应釜每天可以在特定环境条件下消耗1 200升空气，生产制取燃料。他已经把这一技术授权给印度化学技术研究所，允许其进行放大生产，应用于发展中国家。如果不征收碳税，不管是诺塞拉的技术路径还是阿特沃特的技术路径，人工光合技术目前都无法直接与化石燃料进行竞争。但是，诺塞拉认为，他的方法在发展中国家有价值，因为在这些地方，冶炼厂、化工厂以及其他基础设施仍然非常薄弱，太阳能燃料电池可以制备成适当的尺寸，安装在自家后院里。

 

　　尽管生物技术可以帮助选择获得还原态产品，但是要对大量质子进行管控，生成碳碳键，并加速其反应，还是面临着不少困难。反应速度是化学方法的一个潜在卖点，只要它能够解决生物方法已经处理的挑战。阿特沃特并不希望人们对JCAP抱有过高的期望。“5年后我们希望能够解决的最重要的的问题是，弄清楚二氧化碳催化剂活性和选择性的标准，即从理论上解释，从实验中验证，”他说，“现在就抛出豪言壮志，承诺只需要几年就可以完全研究出能够大规模生产的设备，其活性和选择性高，这是不理智的，也是不合适的。”

 

　　加州理工学院正在使用组合合成方法，对潜在的催化化合物进行高通量的筛选，这与医药工业筛选小分子希望获得新药的理念是相通的。LBNL国家能源研究超级计算中心正在利用其高效计算资源，按照平行理论对上百万种潜在的候选化合物进行筛选，从而能够大幅度减少合成和测试的工作量。

 

　　作为LBNL的JCAP实验室研究人员，伊恩·沙普（Ian Sharp）认为中心可以充分利用其在分子加工领域的专业力量，为光伏电池中的薄膜半导体找到合适的催化剂和材料。“目前材料（特性）的预测已经取得了足够大的进步，我们可以利用这些进步，为化合物定向筛选提供一定参考。”

 

　　但是要想制造能够氧化水和还原二氧化碳的设备，也不是那么轻而易举的。沙普解释道：“问题在于，说到半导体，我们目前所能获取的材料还无法同时做到高效利用原材料，在反应环境下化学稳定，同时还能做到其成分稳定储存。”因此，我们仍然在坚持寻找具有这些必要特性的材料。当然，我们也没有放弃其他方向，我们希望可以找到能够避免硅、砷化镓和铟镓磷化物受到环境腐蚀侵害的途径。

 

　　在JCAP工作人员中，理论学家的占比已经从最初5年的5％增长到目前的25％，这也从侧面说明了还原二氧化碳到底有多么困难。理论学家的加入已经加深了我们对于催化机理的理解。尽管我们已经知晓多相或无机金属催化剂的作用机理，诸如银或金能够起到催化作用，帮助制造出一氧化碳；但是另一方面，铜金属也能够发挥催化作用，帮助生产出更加复杂的燃料，这背后的机理对于我们来说仍然是未知之谜。“我们正在加深对这方面的认知和了解。”阿特沃特补充道。

　　另外一个太阳能燃料研究工程由以色列牵头协作，它希望能使氢气成为最终产物。以色列理工学院阿夫那·罗斯柴尔德（Avner Rothschild）走了一条截然不同的道路：将水分离获取的氢气与大气中充足的氮气相结合，生产用于化肥或者燃料的氨气。他注意到，大气中二氧化碳浓度只有400ppm，要从这么低的浓度还原足量的二氧化碳生产燃料，挑战可想而知。氨气无法由光电化学电池来合成，这样的工作只能由化工厂完成。

 

　　罗斯柴尔德和以色列理工学院化学工程师基东·格雷德（Gideon Grader）合作，希望利用金属氧化物类催化剂来开发高效的光电化学电池。“大部分的人都清楚，无法使用诸如金属氧化物粉末的水溶液这种简单物质来分解水。”格雷德承认。那么为什么不利用已经非常成熟的光伏发电的电解呢？罗斯柴尔德和格雷德的研究分析得出结论：相对于光伏发电的电解，光电化学过程有可能将水分离效率提高30％～40％。所开发的催化剂也比目前电解中使用的稀土和铂族金属便宜得多。

 

　　因为新一期《今日物理》即将出版，以色列理工学院的研究团队马上就可以公布他们的新方法，从上百万个光电化学电池中生产出大量的氢气。他们在论文正式出版前不愿透露过多细节，只是说氢气将会在中心位置产出。

 

　　瑞典的合作团队则将注意力放在原有的理论体系内，即质子偶合电子转移反应机理，这种机理出现在无机催化剂中，也发生于诸如蓝细菌、海藻和植物中参与光合作用的II型光合体系中。作为乌普萨拉大学的化学家，斯滕比约恩·斯代令（Stenbjorn Styling）领导着一个75人的研究团队。他解释道：“我们在制造电池，但我们无法保证能够在下一个拨款周期内解决世界的相关问题。”他进一步介绍道：“我们正在研究复杂反应条件下质子和电子如何偶合，我们一直相信它们能够在这一领域发挥作用。”整个研究团队正竭尽全力开发基于钌、钴氧化物以及含钴复杂分子的催化剂。斯代令说，尽管钌金属非常昂贵，但是它却出奇的高效。说到诺塞拉的方法，他自己倾向于将二氧化碳还原成长碳链的生物路径。他注意到，进行光合作用的藻类和植物能够用二氧化碳、产生电子的水以及太阳能合成几乎任何化合物。

 

　　阿特沃特提到了他们面临的另一个挑战：持久性。屋顶太阳能设备可以持续正常运转25年，因此经济效益高。“让这些相对高效的水分离设备拥有超过几百个小时的生命周期，目前我们还无法实现。”阿特沃特补充道。JCAP实验室正在从事相关工作，以期提高设备使用寿命。