绿色化工新突破：“人造树叶”将CO2变成化工原料

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

首图来源：iStock

撰文 | Bell

编辑 | 小雨

→这是《环球零碳》的1742篇原创

化学工业是现代文明的基石，从药品、塑料到化妆品，我们的日常生活都离不开它。

然而，这个重要产业也面临着严峻的可持续性挑战。它不仅消耗大量化石燃料作为原料，其生产过程还贡献了全球约6%的碳排放。

最近剑桥大学的研究团队展示了一种由太阳能驱动的“人造叶片”，能模拟光合作用，以可持续的方式将阳光、水和CO2直接转化为有价值的化工原料——甲酸盐。

甲酸盐可用于石油钻井液、香精合成、医药中间体制备以及有机催化反应等多个领域。

这种“人造叶片”，不仅耐用、无毒，且完全不依赖化石燃料，为绿色化学工业开辟了新路径。

剑桥大学埃文·雷斯纳（Erwin Reisner）教授的领导的研究小组长期专注于“人造树叶”技术，旨在利用阳光直接生产碳基燃料与化学品，摆脱对化石原料的依赖。

但传统的解决方案往往面临两难选择：使用合成催化剂可能涉及有毒金属，效率有限；而依赖无机半导体的人工叶片又存在稳定性差、光吸收范围窄的问题。

据介绍，雷斯纳教授团队的突破在于，他们首次将自然界的智慧——酶，与新兴的有机半导体技术结合在了一起，绕开了这些困境。

这片人工叶子的核心是一个精巧的“三明治”结构。最关键的光吸收层由有机半导体材料（PCE10:EH-IDTBR）构成，它像太阳能电池板一样吸收阳光，产生驱动反应的电子。

与传统的硅或铅基半导体不同，有机材料不仅无毒，还能通过分子设计调整吸光范围，更高效地利用太阳光谱。

图说：“人造树叶”结构

来源：DOI: 10.1016/j.joule.2025.102165

中间层为研究人员在电极上构建的多孔二氧化钛骨架，这种结构就像微型的"蜂巢"，为酶催化剂提供了理想的安身之所。

在这里工作的有两种关键的生物催化剂：一种是氢化酶，专门负责将水中的质子转化为氢气；另一种是甲酸脱氢酶，能够将二氧化碳精准地还原为甲酸。

这两种酶都是自然演化的杰作，它们的催化活性位点经过数百万年的优化，能够在温和条件下实现高效、专一的化学反应，远胜于许多人造催化剂。

研究团队还引入了一个巧妙的设计——碳酸酐酶。

在以往的生物混合系统中，科学家们通常需要添加特殊的缓冲液来维持适宜的酸碱环境，这些添加剂不仅成本高昂，还容易在反应中被氧化，干扰化学过程。

而碳酸酐酶的存在，使得系统可以在普通的碳酸氢钠溶液中稳定运行——这种溶液本质上就像苏打水一样简单无害。

它通过可逆地催化二氧化碳和水生成碳酸氢根和质子的反应，巧妙地维持了局部的pH平衡，让整个系统摆脱了对化学添加剂的依赖。

在实验室测试中，这片人工叶子展现了卓越的性能。该装置产生了高达1伏的起始电压和每平方厘米8毫安的光电流密度，太阳能转化为化学能的效率显著提升。

更值得一提的是，它将电子高效地用于目标产物的合成——制氢的法拉第效率（电子利用率）达到了99%；产甲酸的效率也相当可观，法拉第效率高达87%以上。

在连续运行超过一整天（24小时）的测试中，设备保持了良好的稳定性，这比许多前期设计的寿命有了显著提升，比早期设计寿命延长了一倍。

图说：工作中的半人工有机光电阴极（正面图）

来源：Celine Yeung

但研究人员并未止步于燃料生产。他们进一步展示了如何将这种太阳能驱动的化学合成与高附加值产品制造相结合。

在概念验证实验中，他们直接将人工叶子产生的甲酸溶液用于驱动一个不对称氢化反应。

在诺伊里-伊卡里亚钌催化剂的帮助下，苯乙酮被高效地转化为具有光学活性的(R)-1-苯乙醇——这是制药工业中重要的手性砌块，反应获得了78%的产率和94%的对映选择性，达到了工业应用标准。

这意味着，太阳能驱动的甲酸生产可以直接用于高价值药品的合成，无需复杂的纯化步骤。

正如论文第一作者塞琳·杨（Celine Yeung）博士解释的：“这是一个概念验证。我们现在计划构建一个完整的多米诺级联反应来合成更复杂的产品。

当然，这条通向绿色化学工业的道路上仍有一些挑战需要克服。酶的氧敏感性使得设备目前仍需在受控的实验室环境中运行，长期稳定性也有待进一步提升。

未参与该研究的塔塔基础研究所化学家维韦克·波尔谢蒂瓦尔也表示，酶稳定性和长期性能可能带来挑战，但这些是可以克服的。他期待这一发现能尽快转化为实际技术。

研究人员计划通过优化酶固定技术和保护层材料，延长设备寿命；同时，他们还计划与工业伙伴合作，探索分布式太阳能化工厂的可行性，推动规模化生产。

展望未来，这种生物混合平台展现出丰富的可能性。

研究人员设想，通过更换不同的酶催化剂，系统可以适应更多样的化学反应。

氢气产出可以用于室温下的还原胺化反应；如果与一氧化碳脱氢酶结合，还能产生合成气用于羰基化反应。

有机半导体的可调性也为优化光吸收性能提供了广阔的空间。

雷斯纳表示：“我们正在为商业化奠定基础，我们必须在这个过程中创造更多价值。”

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/

热门阅读

（点击图片跳转阅读）