以自然为灵感的绿色能源技术扫清了重要的发展障碍

科学家 Heinz Frei 花了数十年的时间致力于打造自然界最优雅、最有效的机器之一的人造版本：叶子。

Frei 和世界各地的许多其他研究人员试图利用光合作用——绿色植物和藻类利用阳光驱动的化学反应，将二氧化碳 (CO2) 转化为细胞燃料——来产生能够提供动力的燃料。我们的房屋和车辆。如果必要的技术可以通过理论模型和实验室规模的原型进行改进，这个被称为人工光合作用的登月想法有可能利用我们大气中过剩的 CO2产生大量完全可再生能源。

随着他们的最新进展，弗雷和他在能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的团队现在正在接近这个目标。科学家们开发了一种由纳米管制成的人工光合作用系统，该系统似乎能够执行燃料生成反应的所有关键步骤。

他们在Advanced Functional Materials上发表的最新论文表明，他们的设计允许质子从管的内部空间快速流动，质子是由水分子分裂产生的，到外部，在那里它们与 CO2和电子结合形成燃料。这种燃料目前是一氧化碳，但该团队正在努力制造甲醇。快速质子流对于有效利用太阳光能量形成燃料至关重要，它一直是过去人工光合作用系统的眼中钉。

现在该团队已经展示了这些管子如何单独执行所有光合作用任务，他们已准备好开始测试整个系统。该系统的单个单元将是小方形“太阳能燃料砖”(一边几英寸)，其中包含数十亿个纳米级管，夹在一层薄的、略微柔韧的硅酸盐地板和天花板之间，管子开口穿过这些盖子。Frei 希望他的团队能够率先解决此类技术仍面临的主要障碍。

“还有两个挑战尚未解决，”伯克利实验室生物科学领域的资深科学家弗雷说。“其中之一是可扩展性。如果我们想将化石燃料保留在地下，我们需要能够以太瓦为单位制造能量——这是一种巨大的燃料。而且，你需要制造液态碳氢化合物燃料，这样我们才能实际上将它与价值数万亿美元的现有基础设施和技术一起使用。”

他指出，一旦制造出满足这些要求的模型，用许多单独的瓷砖建造太阳能燃料农场就可以迅速进行。“作为基础科学家，我们需要提供一种有效的瓷砖，解决所有关于其性能的问题。工业工程师知道如何连接这些瓷砖。当我们计算出平方英寸时，他们将能够制作平方英里。”

这个怎么运作

瓷砖内部的每个微小(约 0.5 微米宽)中空管由三层组成：内层氧化钴、中间层二氧化硅和外层二氧化钛。在管子的内层，来自阳光的能量传递给氧化钴，分解水(以流过每个管子内部的潮湿空气的形式)，产生自由质子和氧气。

“这些质子很容易流到外层，在那里它们与二氧化碳结合形成一氧化碳——在未来的步骤中形成甲醇——在一个由二氧化钛层支撑的催化剂实现的过程中，”Won Jun 说Jo，博士后研究员，论文第一作者。“燃料聚集在管道之间的空间中，可以很容易地排出收集。”

重要的是，管壁的中间层将水氧化产生的氧气保持在管内部，并阻止了外部的二氧化碳和不断演变的燃料分子渗透到内部，从而将两种非常不相容的化学反应分开区。

这种设计模仿了实际的活光合细胞，将氧化和还原反应与叶绿体内的有机膜隔室分开。与大自然的原始蓝图类似，该团队的膜管允许光合反应在很短的距离内发生，最大限度地减少离子传播时发生的能量损失，并防止也会降低系统效率的意外化学反应。

“这项工作是伯克利实验室致力于为气候变化带来的紧迫能源挑战提供解决方案的一部分，”弗雷说。“这项任务的跨学科性质需要伯克利实验室独有的广泛专业知识和主要设施。特别是，分子铸造厂的纳米制造和成像能力对于合成和表征超薄层以及制造平方英寸大小的阵列至关重要。空心纳米管。”