仿植物分子储存太阳能：人工光合作用迈出关键一步

信息来源：
https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250826005230.htm

瑞士巴塞尔大学的科学家们成功开发出一种革命性的人工分子，能够模仿植物光合作用过程，在阳光照射下同时储存四个电荷。这项发表在《自然化学》期刊上的研究成果，标志着人工光合作用技术取得重大突破，为实现碳中和燃料生产开辟了新路径。

传统的太阳能技术主要依赖光伏电池将阳光直接转化为电能，但这种方式面临储能和运输的挑战。相比之下，植物通过光合作用将太阳能转化为化学键储存在分子中，这种储能方式更加稳定且便于运输。科学家们一直试图复制这一自然过程，但技术难度极大。

与自然光合作用一样，新分子会暂时储存两个正电荷和两个负电荷。图片来源：Deyanira Geisnæs Schaad

巴塞尔大学化学系的Oliver Wenger教授和博士生Mathis Brändlin设计的新型分子，首次实现了在相对温和的光照条件下储存多个电荷的目标。这种分子由五个精心设计的功能单元组成，每个单元都承担着特定的任务，共同协作完成复杂的光能转化过程。

分子工程的精密设计

这种人工分子的设计灵感完全来自于植物叶绿体中的光系统结构。在自然光合作用过程中，叶绿素分子吸收光子后，会发生一系列精确的电子转移反应，最终将光能转化为ATP和NADPH等高能化合物。

研究团队的人工分子采用了类似的工作原理。分子的中央部位安装了一个光敏单元，负责捕获入射光子并启动整个反应过程。当光子被吸收后，这个单元会产生激发态电子，随后引发一系列级联反应。

分子的两端分别安装了电子供体和受体单元。左侧的两个单元专门负责释放电子，在这个过程中它们会带上正电荷。右侧的两个单元则负责接收和储存电子，因此带上负电荷。这种对称的设计确保了电荷分离的效率和稳定性。

最关键的创新在于这种分子能够进行两次连续的光激发过程。第一次光照射激发第一轮电子转移，产生一对正负电荷。紧接着的第二次光照射重复同样的过程，使分子总共储存了两个正电荷和两个负电荷。这种双步激发机制是实现高效能量储存的关键。

突破光强限制的技术优势

以往的人工光合作用研究面临的最大挑战之一是对光强的极高要求。早期的实验系统往往需要强激光才能工作，这与实际应用中利用自然阳光的目标相去甚远。强激光不仅能耗巨大，还会产生大量热量，导致分子结构不稳定。

Wenger团队的新方法巧妙地解决了这一问题。通过采用分步激发策略，他们显著降低了每次激发所需的光强。这意味着系统可以在接近自然阳光强度的条件下正常工作，大大提高了实际应用的可行性。

实验数据显示，新分子在常规实验室光源照射下就能实现有效的电荷储存，光强要求比传统方法降低了几个数量级。这种改进不仅降低了技术成本，也使得户外应用成为可能。

更重要的是，储存在分子中的电荷能够保持相当长的稳定时间。实验测量显示，电荷的半衰期足以支持后续的化学反应，为实际的燃料生产提供了时间窗口。这种稳定性对于实用化的人工光合作用系统至关重要。

清洁燃料生产的新路径

这项技术的最终目标是生产真正碳中和的燃料。储存在分子中的电荷可以驱动各种化学反应，将水和二氧化碳转化为氢气、甲醇、合成汽油等高能化合物。这些燃料在燃烧时释放的二氧化碳量正好等于生产过程中消耗的二氧化碳量，从而实现完整的碳循环。

氢气生产是最直接的应用方向。利用分子储存的电荷，可以将水分解为氢气和氧气。氢气作为清洁燃料，燃烧后只产生水，是理想的零排放能源载体。目前的电解水制氢技术需要消耗大量电能，而人工光合作用可以直接利用阳光，大幅降低生产成本。

甲醇生产则更具商业价值。甲醇不仅可以作为燃料使用，还是重要的化工原料。利用人工光合作用将二氧化碳和水转化为甲醇，既能减少大气中的温室气体，又能产生有价值的产品，实现经济效益和环境效益的双重获得。

合成汽油的生产更具革命性意义。通过Fischer-Tropsch合成等工艺，可以将人工光合作用产生的合成气转化为液体烃燃料。这些燃料可以直接使用现有的基础设施，无需对汽车和加油站进行大规模改造。

产业化前景与挑战

虽然实验室结果令人鼓舞，但从概念验证到产业化应用仍面临诸多挑战。首先是反应效率问题。目前的系统虽然能够储存电荷，但整体的太阳能转化效率还需要进一步提高。商业化应用通常要求转化效率达到10%以上，而目前的实验系统距离这一目标还有距离。

材料稳定性是另一个关键问题。实验室条件下的分子可能在长期户外环境中面临降解问题。紫外线辐射、温度变化、湿度等因素都可能影响分子的结构和性能。开发更加稳定的分子结构，或者设计有效的保护机制，是实现产业化的必要条件。

成本控制也是重要考虑因素。目前的分子合成工艺相对复杂，涉及多个精密的化学步骤。要实现大规模生产，需要开发更加经济高效的合成路线。此外，系统的其他组件，如反应器设计、产物分离等，也需要综合优化。

研究团队正在多个方向推进技术发展。他们计划设计新一代分子，进一步提高光捕获效率和电荷储存容量。同时，他们也在探索将这种分子集成到实际的燃料生产系统中，验证完整工艺流程的可行性。

国际科学界对这项研究给予了高度关注。多个研究机构正在开展相关的合作研究，共同推进人工光合作用技术的发展。欧盟和美国政府都将人工光合作用列为重点资助领域，预计未来几年将有更多突破性成果涌现。

这项来自巴塞尔大学的研究为实现"太阳燃料"的梦想提供了重要的技术基础。虽然距离商业化应用还有很长的路要走，但这一步骤性突破证明了人工光合作用技术的巨大潜力。随着技术不断完善和成本持续下降，基于阳光的清洁燃料生产有望在未来几十年内成为现实。