导语：利用二氧化碳来模拟光合作用，高效的产生能源可以说是非常艰巨的任务也是难度极高的课题，可又是一件意义重大的事业。天津大学化工学院巩金龙科研团队把目光聚焦到太阳能。利用太阳能，“人工树叶”在催化剂的作用下把水和二氧化碳高效地转化为甲醇、甲烷等含碳分子，直接可作为燃料再次利用。
2019年，我们如愿度过了有温度记录的140年以来最热的一个夏天。各种避暑神器轮番上阵，但终究挡不住这热浪滚滚。如果对此你感到有些绝望，那么有一个好消息是：如果保持现在的趋势不变，今年也许就是未来140年内最凉快的一个夏天。
▲烈日下黑色汽车表壳温度可达70℃图源/网络
“全球变暖”已经得到国际的普遍共识。但到底为什么会出现这样的现象，还有诸多争议。不可否认的是，在气温上升的这一百多年里，人类工业革命蓬勃发展，并向空气中排放了大量温室气体二氧化碳，不排除是因为二氧化碳浓度的上升，让地球变得越来越热。
图：冰芯记录反演出的45万年以来大气二氧化碳浓度变化（红线）与温度变化（蓝线），二者在45万年以来一直保持着良好的相关关系：二氧化碳升高，温度同步升高
人类工业化发展导致地球二氧化碳过量排放
地球的生物圈处于很微妙的平衡之中。几乎所有的生物都会代谢出二氧化碳获取能量，当这些二氧化碳排放到空气中后，会成为植物光合作用的原料，转化为葡萄糖，并最终成为生物圈共同的能量来源。
植物光合作用示意图 图源/网络人类的工业化进程，伴随着煤炭、石油的燃烧过程，最终产物中含有大量二氧化碳。它们的分子结构，和生物呼吸产生的二氧化碳并没有什么区别，也可以作为光合作用的原料。
斯克里普斯海洋研究所和NOAA共同科研数据显示：2019年5月的二氧化碳峰值创有记录以来新纪录414.8ppm，图源/NOAA
数亿年来，地球上庞大的生物圈不断维持着平衡。当地球氧气含量过多时，就会催生出巨型的物种（比如恐龙），连同高发的山火，植物被自然地消耗，进而降低氧气浓度。反之，当地球二氧化碳浓度上升时，会促进植物生长得更茂盛，提高光合作用的效率，同时地壳也会吸收更多的二氧化碳形成碳酸盐岩石。我们有理由相信，伴随着二氧化碳浓度逐年攀升，地球会重新达到新的平衡，二氧化碳的浓度维持在稳定的水平，温度上升趋势将放缓。然而，这需要时间，而且会是很长的时间，对于人类发展来说，或许等不起。
二氧化碳的循环，图片来源/科学出版社微信公众号
科学新思路：人工促进二氧化碳吸收
如今，地球二氧化碳的排放量巨大，如何加快对其的有效吸收和利用，已经成为全球各国科学家研究的重大课题。从理论上，有多种可实现的路径。二氧化碳的固定化，是如今非常热门的研究课题。最直接的一种方式，就是将二氧化碳转化为碳酸盐。自然界常见的石灰石就是一种碳酸盐，也就是碳酸钙，而海水和土壤中又有丰富的钙质，所以这似乎不难实现。然而，碳酸盐并不稳定，它们随时都可以重新释放出二氧化碳，所以，算不上是很彻底的二氧化碳固定化作用。因此，在这一过程的基础上，科学家又发展了二氧化碳的矿化固定工艺，借助于二氧化碳去处理炼钢的矿渣，回收其中的一些金属离子，比如钛、铝等元素，最终可以得到钛白粉等产品，而二氧化碳则转化成聚碳酸酯等产品，实现了有效固定。这种处理方法，目前来说已经具有工业化前景。天津大学的巩金龙教授团队经过三年多的研究，实现了利用太阳能、氢能等绿色能源，在温和条件下进行二氧化碳的高效转化，建立了新型的“光电催化二氧化碳还原”“二氧化碳加氢还原”途径，打通了从二氧化碳到液体燃料和高附加值化学品的绿色转化通道，实现了将二氧化碳还原为甲醇和其他碳氢燃料的新突破。在转化过程中，其含碳产物的产率高达92.6%，其中甲醇的选择性为53.6%，达到世界领先水平。目前可以做到每吨矿渣吸收200公斤的二氧化碳，效果十分显著。相关研究成果作为封面热点论文，在《德国应用化学》《能源与环境科学》等国际知名期刊上发表。
《德国应用化学》发表文章
实现“人工树叶”设想，目标“零排放”
二氧化碳转化的难度在于，其分子结构极其稳定，转化需要注入很高的能量，且二氧化碳转化的路径复杂，转化后产物众多、纯度不佳。因此转化路径和催化剂的选择极其重要。巩教授团队是如何克服这些困难的呢？众所周知，植物的光合作用，是将二氧化碳转化成了各种含碳的有机物，特别是现代复合材料科技，都离不开有机高分子的贡献。一旦把二氧化碳转化为有机物，需要吸收大量的热量。这也不难理解，汽油燃烧释放出二氧化碳，整个过程会产生大量的热量。既然能量是守恒的，反过来，想让二氧化碳变成汽油这样的物质，自然就需要吸收大量的热量。植物从太阳光中吸收热量，才能实现这一作用——既然植物可以利用太阳能，那么我们是不是也可以借助于太阳光，实现“人工”的光合作用呢？这个过程并非想象中的这么简单。对于植物而言，叶绿体中发生的光合作用，其实是由很多物质共同参与完成的协同反应。叶绿素会吸收特定波长的太阳光，自身的电子随之移动，就像充电电池一样，将光能储存起来。与此同时，各类酶也在忙里忙外，它们有的负责搬运二氧化碳，有的负责促进反应。
光合作用中反应方程式图源/网络但是这些程序要想让人类来完成，就需要找到高效的催化剂才能完成。这些高效催化剂，不只是可以吸收太阳能，更要能够利用这些能量，让二氧化碳发生特定的反应。简单说，就是需要能够操控原子，让它们像树叶一样，按照人类的意愿实现“光合作用”。在研发过程中，巩金龙团队面临着来自美国和日本同行的激烈竞争。在这种压力和动力下，团队的科研人员每天都在和时间赛跑。巩金龙回忆说道：“虽然没仔细统计过，但是不夸张地说，我们进行了上万次实验，失败、总结、调整方案，而后再进行实验。那段时间几乎每天都这样周而复始循环地工作着。”可喜的是，在巩教授团队上万次的实验之下，距离奇迹的出现已经越来越近，二氧化碳变成有机物的转化率，高达90%以上。
人工树叶创意图图源/网络
试想，若是有一天我们种下一棵棵长满“人工树叶”的苍天大树，那么我们亲手排放的那些二氧化碳，是否有可能又被我们亲手回收呢？给地球降温，这样的黑科技，值得我们期待。
撰文/孙亚飞（清华大学化学系 博士）
