上海
環球零碳
碳中和領域的《新青年》
首圖來源：SciTechDaily
撰文| Bell
編輯 | 小瀾
→這是《環球零碳》的2042篇原創
在自然界中，植物通過光合作用將陽光、水和二氧化碳轉化為化學能，維系著地球碳循環和能量流動的關鍵環節。
如今，科學家們試圖在人造系統中復現這一奇跡，并力求做得比自然更高效。近期，由耶魯大學化學系Hailiang Wang教授領導的研究團隊，在這一領域取得了重大突破。
他們研發出一種新型人造“葉片”裝置，能夠僅以陽光、水和二氧化碳為原料，直接合成液體燃料甲醇，其太陽能至甲醇的轉換效率，是此前所有人造“葉片”制醇紀錄的32倍。
這項研究成果發表于《美國化學學會雜志》，標志著人類向“液態陽光”的夢想邁出了關鍵一步。
圖說：新系統將二氧化碳和水轉化為氫氣、一氧化碳和甲醇
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c04213
這項研究的出發點，在于解決可再生能源儲存與二氧化碳利用的雙重挑戰。
甲醇作為一種重要的化工原料和清潔燃料，能量密度高且便于儲存運輸，被視為理想的能源載體。
但要通過人工光合作用直接將其從二氧化碳和水中“制造”出來，難度極大。這需要一個能高效捕獲光能并驅動六電子還原反應的精密系統，動力學和熱力學壁壘高。
此前的人造葉片多止步于甲酸或乙醇等產物，效率低下，太陽能轉換效率僅有0.025%，且往往需要外加偏壓才能工作，無法作為獨立設備使用。
耶魯團隊此次取得的成果，建立在兩項核心技術的突破之上。
第一個關鍵是高效分子催化劑的設計。早在2019年，該團隊便開發出一種獨特的非均相分子電催化劑，其活性中心是酞菁鈷分子。
研究人員將這些分子錨定在碳納米管表面，碳納米管如同一條條“電子高速公路”，能將電子源源不斷地快速輸送到催化位點。
正是這種結構，使得他們能夠向一個二氧化碳分子中精準注入六個電子，將其直接還原為甲醇，而此前受限于兩個電子轉移的催化劑，大多只能生成一氧化碳。
第二個關鍵，則是革新了光電極結構。
研究團隊發現，此前在硅微柱上覆蓋含氟碳層（CF?）的做法雖然能營造疏水微環境以富集CO中間體，但該層絕緣性限制了電荷傳輸，導致光電壓僅有約300毫伏。
為此，論文第一作者、博士生Bo Shang開發了一種由硅微柱陣列構成的光電極，并在其表面覆蓋了一層富勒烯碳（C??）代替了含氟碳層（CF?）。
圖說：由硅微柱陣列構成的光電極光學圖像（c）以及表面負載催化劑后的光學圖像（d）
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c04213
這一設計堪稱精妙：硅微柱結構增加了光吸收和反應表面積，而關鍵的C??中間層則扮演了多重角色。
它既能鈍化硅表面缺陷、抑制電子復合，又能作為“電子選擇性接觸”，促進光生電子單向傳遞，同時阻擋空穴，從而將光電壓大幅提升至500毫伏，這是單結硅基光電極在水相CO?還原中的最優紀錄之一。
同時，研究人員還自制了一塊四結鈣鈦礦光伏微型組件，該模塊在封裝后浸入電解液中仍能提供約2.75伏的有效工作電壓，使整體系統無需外加偏壓即可驅動反應。
將兩項核心技術與四結鈣鈦礦光伏微型模塊集成后，一個完整的人造葉片系統就誕生了。
圖說：“人造葉片”系統在工作狀態下的照片
來源：耶魯大學
這個裝置在無任何外部偏壓、僅靠模擬太陽光照射下，便能穩定工作，實現了對二氧化碳的持續還原。
實驗結果顯示，其光至甲醇的轉換效率達到了0.8%，生成甲醇的法拉第效率約為29%，并能穩定運行超過4小時。
更值得一提的是，相較于此前最好的太陽能制乙醇人工葉片，不僅效率提升了32倍，甲醇的生產速率（光電流）也提高了約320倍。
同時，催化劑的轉換頻率高達每秒2.8次，為同類分子催化劑的最高水平。
圖說：新型“人造樹葉”（SMA-C60）系統的部分性能
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c04213
通過對照實驗，團隊證實，光電極提供的獨特光電壓是驅動這一深度還原反應的關鍵，沒有它，催化劑的“能力”會大打折扣，產物將退回到一氧化碳。
耶魯大學的這項研究，首次展示了僅用陽光、水和二氧化碳作為輸入，實現無偏壓、高效率太陽能甲醇生產的可行性。
這為分散式、小規模的甲醇合成提供了新的發展方向，其高達2.8%的總體太陽能至燃料效率甚至可與自然光合作用（范圍為0.1%到10%）相媲美。
這項工作不僅為太陽能燃料的規模化應用提供了新的設計范式和器件基礎，也展示了基礎研究如何一步步導向具有變革潛力的技術。
當然，距離大規模商業化應用，該裝置在效率和穩定性上仍有提升空間。研究者們清晰地意識到，當前4小時以上的穩定性仍顯不足。
光電陰極表面在堿性條件下會逐漸腐蝕，這需要通過更均勻的催化劑涂覆或更完善的表面鈍化手段來解決。同時，C??薄膜的質量與導電性也待進一步提升。
但這片人造“葉片”的誕生，無疑是太陽能液體燃料的規模化應用的關鍵一步。
Reference：
[1]https://interestingengineering.com/energy/artificial-leaf-photosynthesis-methanol-fuel
[2]https://news.yale.edu/2026/06/04/growing-new-leaf-harnesses-sun-water-and-co2-make-liquid-fuel
[3]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c04213
[4]https://www.cnenergynews.cn/article/4RtM4qoxYK1
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