解決全球變暖新途徑？我國科學家發明「人工樹葉」讓二氧化碳變廢為寶

健康 08-31

撰文/孫亞飛（清華大學化學系博士）

導語：利用二氧化碳來模擬光合作用，高效的產生能源可以說是非常艱巨的任務也是難度極高的課題，可又是一件意義重大的事業。天津大學化工學院鞏金龍科研團隊把目光聚焦到太陽能。利用太陽能，「人工樹葉」在催化劑的作用下把水和二氧化碳高效地轉化為甲醇、甲烷等含碳分子，直接可作為燃料再次利用。

2019年，我們如願度過了有溫度記錄的140年以來最熱的一個夏天。各種避暑神器輪番上陣，但終究擋不住這熱浪滾滾。如果對此你感到有些絕望，那麼有一個好消息是：如果保持現在的趨勢不變，今年也許就是未來140年內最涼快的一個夏天。

烈日下黑色汽車錶殼溫度可達70℃ 圖源/網路

「全球變暖」已經得到國際的普遍共識。但到底為什麼會出現這樣的現象，還有諸多爭議。不可否認的是，在氣溫上升的這一百多年裡，人類工業革命蓬勃發展，並向空氣中排放了大量溫室氣體二氧化碳，不排除是因為二氧化碳濃度的上升，讓地球變得越來越熱。

圖：冰芯記錄反演出的45萬年以來大氣二氧化碳濃度變化（紅線）與溫度變化（藍線），二者在45萬年以來一直保持著良好的相關關係：二氧化碳升高，溫度同步升高

人類工業化發展導致地球二氧化碳過量排放

地球的生物圈處於很微妙的平衡之中。幾乎所有的生物都會代謝出二氧化碳獲取能量，當這些二氧化碳排放到空氣中後，會成為植物光合作用的原料，轉化為葡萄糖，並最終成為生物圈共同的能量來源。

植物光合作用示意圖圖源/網路

人類的工業化進程，伴隨著煤炭、石油的燃燒過程，最終產物中含有大量二氧化碳。它們的分子結構，和生物呼吸產生的二氧化碳並沒有什麼區別，也可以作為光合作用的原料。

斯克里普斯海洋研究所和NOAA共同科研數據顯示：2019年5月的二氧化碳峰值創有記錄以來新紀錄414.8ppm，圖源/NOAA

數億年來，地球上龐大的生物圈不斷維持著平衡。當地球氧氣含量過多時，就會催生出巨型的物種（比如恐龍），連同高發的山火，植物被自然地消耗，進而降低氧氣濃度。反之，當地球二氧化碳濃度上升時，會促進植物生長得更茂盛，提高光合作用的效率，同時地殼也會吸收更多的二氧化碳形成碳酸鹽岩石。

我們有理由相信，伴隨著二氧化碳濃度逐年攀升，地球會重新達到新的平衡，二氧化碳的濃度維持在穩定的水平，溫度上升趨勢將放緩。然而，這需要時間，而且會是很長的時間，對於人類發展來說，或許等不起。

二氧化碳的循環，圖片來源/科學出版社微信公眾號

科學新思路：人工促進二氧化碳吸收

如今，地球二氧化碳的排放量巨大，如何加快對其的有效吸收和利用，已經成為全球各國科學家研究的重大課題。從理論上，有多種可實現的路徑。

二氧化碳的固定化，是如今非常熱門的研究課題。最直接的一種方式，就是將二氧化碳轉化為碳酸鹽。自然界常見的石灰石就是一種碳酸鹽，也就是碳酸鈣，而海水和土壤中又有豐富的鈣質，所以這似乎不難實現。

然而，碳酸鹽並不穩定，它們隨時都可以重新釋放出二氧化碳，所以，算不上是很徹底的二氧化碳固定化作用。

因此，在這一過程的基礎上，科學家又發展了二氧化碳的礦化固定工藝，藉助於二氧化碳去處理鍊鋼的礦渣，回收其中的一些金屬離子，比如鈦、鋁等元素，最終可以得到鈦白粉等產品，而二氧化碳則轉化成聚碳酸酯等產品，實現了有效固定。

這種處理方法，目前來說已經具有工業化前景。天津大學的鞏金龍教授團隊經過三年多的研究，實現了利用太陽能、氫能等綠色能源，在溫和條件下進行二氧化碳的高效轉化，建立了新型的「光電催化二氧化碳還原」「二氧化碳加氫還原」途徑，打通了從二氧化碳到液體燃料和高附加值化學品的綠色轉化通道，實現了將二氧化碳還原為甲醇和其他碳氫燃料的新突破。

在轉化過程中，其含碳產物的產率高達92.6%，其中甲醇的選擇性為53.6%，達到世界領先水平。目前可以做到每噸礦渣吸收200公斤的二氧化碳，效果十分顯著。相關研究成果作為封面熱點論文，在《德國應用化學》《能源與環境科學》等國際知名期刊上發表。

《德國應用化學》發表文章

實現「人工樹葉」設想，目標「零排放」

二氧化碳轉化的難度在於，其分子結構極其穩定，轉化需要注入很高的能量，且二氧化碳轉化的路徑複雜，轉化後產物眾多、純度不佳。因此轉化路徑和催化劑的選擇極其重要。鞏教授團隊是如何克服這些困難的呢？

眾所周知，植物的光合作用，是將二氧化碳轉化成了各種含碳的有機物，特別是現代複合材料科技，都離不開有機高分子的貢獻。一旦把二氧化碳轉化為有機物，需要吸收大量的熱量。這也不難理解，汽油燃燒釋放出二氧化碳，整個過程會產生大量的熱量。既然能量是守恆的，反過來，想讓二氧化碳變成汽油這樣的物質，自然就需要吸收大量的熱量。

植物從太陽光中吸收熱量，才能實現這一作用——既然植物可以利用太陽能，那麼我們是不是也可以藉助於太陽光，實現「人工」的光合作用呢？

這個過程並非想像中的這麼簡單。對於植物而言，葉綠體中發生的光合作用，其實是由很多物質共同參與完成的協同反應。葉綠素會吸收特定波長的太陽光，自身的電子隨之移動，就像充電電池一樣，將光能儲存起來。與此同時，各類酶也在忙裡忙外，它們有的負責搬運二氧化碳，有的負責促進反應。