綠色化工新突破：“人造樹葉”將CO2變成化工原料

環球零碳

碳中和領域的《新青年》

首圖來源：iStock

撰文 | Bell

編輯 | 小雨

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化學工業是現代文明的基石，從藥品、塑料到化妝品，我們的日常生活都離不開它。

然而，這個重要產業也面臨著嚴峻的可持續性挑戰。它不僅消耗大量化石燃料作為原料，其生產過程還貢獻了全球約6%的碳排放。

最近劍橋大學的研究團隊展示了一種由太陽能驅動的“人造葉片”，能模擬光合作用，以可持續的方式將陽光、水和CO2直接轉化為有價值的化工原料——甲酸鹽。

甲酸鹽可用于石油鉆井液、香精合成、醫藥中間體制備以及有機催化反應等多個領域。

這種“人造葉片”，不僅耐用、無毒，且完全不依賴化石燃料，為綠色化學工業開辟了新路徑。

劍橋大學埃文·雷斯納（Erwin Reisner）教授的領導的研究小組長期專注于“人造樹葉”技術，旨在利用陽光直接生產碳基燃料與化學品，擺脫對化石原料的依賴。

但傳統的解決方案往往面臨兩難選擇：使用合成催化劑可能涉及有毒金屬，效率有限；而依賴無機半導體的人工葉片又存在穩定性差、光吸收范圍窄的問題。

據介紹，雷斯納教授團隊的突破在于，他們首次將自然界的智慧——酶，與新興的有機半導體技術結合在了一起，繞開了這些困境。

這片人工葉子的核心是一個精巧的“三明治”結構。最關鍵的光吸收層由有機半導體材料（PCE10:EH-IDTBR）構成，它像太陽能電池板一樣吸收陽光，產生驅動反應的電子。

與傳統的硅或鉛基半導體不同，有機材料不僅無毒，還能通過分子設計調整吸光范圍，更高效地利用太陽光譜。

圖說：“人造樹葉”結構

來源：DOI: 10.1016/j.joule.2025.102165

中間層為研究人員在電極上構建的多孔二氧化鈦骨架，這種結構就像微型的"蜂巢"，為酶催化劑提供了理想的安身之所。

在這里工作的有兩種關鍵的生物催化劑：一種是氫化酶，專門負責將水中的質子轉化為氫氣；另一種是甲酸脫氫酶，能夠將二氧化碳精準地還原為甲酸。

這兩種酶都是自然演化的杰作，它們的催化活性位點經過數百萬年的優化，能夠在溫和條件下實現高效、專一的化學反應，遠勝于許多人造催化劑。

研究團隊還引入了一個巧妙的設計——碳酸酐酶。

在以往的生物混合系統中，科學家們通常需要添加特殊的緩沖液來維持適宜的酸堿環境，這些添加劑不僅成本高昂，還容易在反應中被氧化，干擾化學過程。

而碳酸酐酶的存在，使得系統可以在普通的碳酸氫鈉溶液中穩定運行——這種溶液本質上就像蘇打水一樣簡單無害。

它通過可逆地催化二氧化碳和水生成碳酸氫根和質子的反應，巧妙地維持了局部的pH平衡，讓整個系統擺脫了對化學添加劑的依賴。

在實驗室測試中，這片人工葉子展現了卓越的性能。該裝置產生了高達1伏的起始電壓和每平方厘米8毫安的光電流密度，太陽能轉化為化學能的效率顯著提升。

更值得一提的是，它將電子高效地用于目標產物的合成——制氫的法拉第效率（電子利用率）達到了99%；產甲酸的效率也相當可觀，法拉第效率高達87%以上。

在連續運行超過一整天（24小時）的測試中，設備保持了良好的穩定性，這比許多前期設計的壽命有了顯著提升，比早期設計壽命延長了一倍。

圖說：工作中的半人工有機光電陰極（正面圖）

來源：Celine Yeung

但研究人員并未止步于燃料生產。他們進一步展示了如何將這種太陽能驅動的化學合成與高附加值產品制造相結合。

在概念驗證實驗中，他們直接將人工葉子產生的甲酸溶液用于驅動一個不對稱氫化反應。

在諾伊里-伊卡里亞釕催化劑的幫助下，苯乙酮被高效地轉化為具有光學活性的(R)-1-苯乙醇——這是制藥工業中重要的手性砌塊，反應獲得了78%的產率和94%的對映選擇性，達到了工業應用標準。

這意味著，太陽能驅動的甲酸生產可以直接用于高價值藥品的合成，無需復雜的純化步驟。

正如論文第一作者塞琳·楊（Celine Yeung）博士解釋的：“這是一個概念驗證。我們現在計劃構建一個完整的多米諾級聯反應來合成更復雜的產品。

當然，這條通向綠色化學工業的道路上仍有一些挑戰需要克服。酶的氧敏感性使得設備目前仍需在受控的實驗室環境中運行，長期穩定性也有待進一步提升。

未參與該研究的塔塔基礎研究所化學家維韋克·波爾謝蒂瓦爾也表示，酶穩定性和長期性能可能帶來挑戰，但這些是可以克服的。他期待這一發現能盡快轉化為實際技術。

研究人員計劃通過優化酶固定技術和保護層材料，延長設備壽命；同時，他們還計劃與工業伙伴合作，探索分布式太陽能化工廠的可行性，推動規模化生產。

展望未來，這種生物混合平臺展現出豐富的可能性。

研究人員設想，通過更換不同的酶催化劑，系統可以適應更多樣的化學反應。

氫氣產出可以用于室溫下的還原胺化反應；如果與一氧化碳脫氫酶結合，還能產生合成氣用于羰基化反應。

有機半導體的可調性也為優化光吸收性能提供了廣闊的空間。

雷斯納表示：“我們正在為商業化奠定基礎，我們必須在這個過程中創造更多價值。”

Reference：

[1]https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)00346-0

[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251102011148.htm

[3]https://cen.acs.org/energy/solar-power/Leaf-like-device-greener-chemical/103/web/2025/10

[4]https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2025/october/artificial_leaf_drives_chemical_change/

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