在自然界中，綠色植物的光合作用，以有機體吸收太陽光，靠金屬配合物等催化劑將水和二氧化碳轉換為糖，來維持綠色植物自身的生長?，F在科學家們所做的人工光合作用就是模擬這個過程。目前使用太陽能的科技主要靠硅基太陽能板或太陽能薄膜發電。比如，太陽能電池則是通過光電效應（在光的照射下，物質內部的電子被光子激發出來產生電流）直接把光能轉化成電能。這兩種發電方式在環境、成本和轉化率上都存在著問題。同時，如何儲存這種太陽能，也存在瓶頸。人工光合作用的優勢在于將太陽能轉換為氫氣、甲醇或乙醇等化學燃料，可以直接用在汽車等燃燒液態燃料的機械中。

在整個光合作用過程中，光的吸收和催化很重要。人工模擬這兩步也很具有挑戰。光催化分解水制氫可以認為是化學科學領域的“哥德巴赫猜想”式的難題。自從20世紀70年代初，光催化制氫的研究成為全世界關注的研究方向。

人工光合作用，是利用大自然中的太陽能生電能，再利用電能將二氧化碳和水轉化成合成氣體（一氧化碳和氫氣）的過程。在自然界，自然光合作用的效率不足1%，而人工光合作用的理論目標是將轉化率提高到20%以上。

二氧化碳的電還原反應過程一直被認為是最重要的人工光合過程之一。在這個過程中，太陽能先轉化為電能，電能再模擬自然光合作用中的光能，把二氧化碳轉化成合成氣體甚至有機化合物，以此有效地減少空氣中二氧化碳的濃度，同時提供出人類生產生活所需要的能源。但是由于二氧化碳的電還原反應中往往需要過高的電能，且轉化的效率比較低，這方面的研究一直處于瓶頸。對此，該課題的領導人，前伊利諾伊大學教授馬克·梅爾斯說：“我們可以用一系列的太陽能板收集太陽能，再把太陽能轉化為電能。這些太陽能轉化的電能用于二氧化碳的電還原反應。”

超電勢：二氧化碳轉化的瓶頸

人工光合作用的大規模應用遇到一個致命的瓶頸——巨大的超電勢。制造燃料的第一步——將二氧化碳轉變為一氧化碳會耗費大量能量，需要大量超過平衡電勢的電力才能使第一個反應進行，這也就是所謂的“超電勢”。與得到的燃料所提供的能量相比，生產燃料所需的能量更多，得不償失。文章的作者之一，伊利諾伊大學化工博士，現二氧化碳材料公司的研究人員朱薇補充說，以前的研究顯示，當二氧化碳和水反應生成一氧化碳或者甲酸時，首先是要生成一種帶負電的二氧化碳中間體，再由這種中間體轉換為產物。生成這種中間體需要很高的能量，這也是為什么二氧化碳的轉化一直需要很高的電能的原因。

超電勢就是實際所需的電勢和理論計算所需的電勢之差。超電勢越高，表示完成電化學反應的阻力越大。所以，對于任何電化學反應來說，超電勢越低越好。“當超電勢高，電能的利用率就越低，因為有一部分電能要去對抗超電勢，只有一部分能量能夠轉化為產物儲存起來。電能的大小和電勢，材料的導電性相關，當我們能減少超電勢的時候，電能就會相應減少。”朱薇說。

“第一步我們構建了一個電化學電池，用離子溶劑當電解質和助催化劑。”朱薇介紹，“以前一直有很多人在研究這個方面，但是他們都不可能達到我們所得到的極低的超電勢。有人用水為基本的電解質溶液，這樣也可以減少超電勢，但是水對二氧化碳的溶解度很低，并不利于二氧化碳的轉化。”Science上刊登的這個研究結果提供了一個有效地解決這個問題的方法。為了降低所需的電能，他們創造了這個以離子溶劑為電解質和催化劑的電化學系統。在這個系統中，水在正極上分解并釋放出氫離子，氫離子滲透并且負極上的二氧化碳反應，產生一氧化碳。利用這個系統，二氧化碳只需要非常低的電能就可以轉化為合成氣體，為下一步的有機化合物的合成提供很大的便利。其中，合成氣體的生產效率可以達到80%以上。

“我們所用的離子溶劑對二氧化碳的溶解度很高，所以十分利于二氧化碳的轉化。同時，我們的研究，不僅提供了可信的實驗結果，同時，也提出了新的得出這種實驗結果背后隱藏的理論。”朱薇介紹，利用他們的理論和系統，超電勢可以降到離平衡電勢只差0.17V，而前人的研究超電勢可以達到1.5V。

把太陽能和風能儲存起來 實現能量的最大利用

統計表明，我們每天消耗的能源中，85%來源于石油、煤礦、天然氣等化學能源的燃燒。美國能源部稱，20年后全球就將面臨缺油情況。由此，風能、電能等清潔的可再生能源進入了人們的視線。雖然發電成本越來越低，但這些新能源都面臨著一個巨大的短板——能量載體。由于無法存儲大量的電能，這些可再生能源一直無法在重工業和交通領域中應用。由此，研究人員一直在研究如何將陽光轉化成可利用的化學物質，如氫氣、甲烷或汽油等。

“我們研究的主要內容是二氧化碳的回收，儲存以及利用。”朱薇介紹，由于生活環境中的二氧化碳增加，對全球氣候變暖有惡劣影響，現在部分科學家提出高壓儲存二氧化碳，使二氧化碳液化，并且把液化的二氧化碳埋入海底。這種方法是很不可取的。如果儲存在深海的二氧化碳一旦泄漏，海洋將會酸化，對海洋生態環境造成毀滅性的影響。同時，現在大部分的人都在提倡使用風能或者太陽能?？墒牵@方面的研究面臨著極大的挑戰，也就是風能和太陽能的儲存問題。當沒有陽光和風的時候，這兩種能量是很難加以利用的。

“為此，我們希望回收空氣中的二氧化碳，并且通過太陽能或者風能產生的電能，將二氧化碳轉化為重要的有用的能源物質。這樣，太陽能或者風能的能量，就可以儲存在能源物質這種實體之中，便于以后再利用。”朱薇介紹，“目前研究二氧化碳的轉化的研究是比較多的，如改進各種各樣的催化劑，或者輔助催化劑來實現。但是我們的想法之所以有新意，是因為我們不僅轉化二氧化碳，同時也想把太陽能和風能儲存起來。而且這種轉化過程實現了能量的最大利用。”朱薇評價說，利用這個系統，二氧化碳只需要非常低的電能就可以轉化為合成氣體，為下一步的有機化合物的合成提供很大的便利。產生的合成氣體可以再生產石油、柴油、乙醇、甲醇等工業原料。

人工光合作用用于小范圍的化學物供給和工業應用應該會于2015年實現。大范圍的話，科學家們希望2018年可以實現，這樣就能符合2020年的碳排放標準。

“現在大多數能源的利用率是低于30%的，我們的可以達到80%以上。由于轉化率的提高，我們需要的能耗反而更低。” 朱薇介紹。但是上游的太陽能轉化成電能的效率依然需要別人的研究實驗來有所提高。