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 。

▲烈日下黑色汽車表殼溫度可達70℃ 圖源/網絡

「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裏 ，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着良好的相關關係 ：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/網絡

人類的工業化進程 ，伴隨着煤炭 、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着平衡 。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 ，伴隨着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煉鋼的礦渣 ，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 ，各類酶也在忙裏忙外 ，它們有的負責搬運二氧化碳 ，有的負責促進反應 。

光合作用中反應方程式 圖源/網絡

但是這些程序要想讓人類來完成 ，就需要找到高效的催化劑才能完成 。這些高效催化劑 ，不只是可以吸收太陽能 ，更要能夠利用這些能量 ，讓二氧化碳發生特定的反應 。簡單說 ，就是需要能夠操控原子 ，讓它們像樹葉一樣 ，按照人類的意願實現「光合作用」 。

在研發過程中 ，鞏金龍團隊面臨着來自美國和日本同行的激烈競爭 。在這種壓力和動力下 ，團隊的科研人員每天都在和時間賽跑 。鞏金龍回憶說道 ：「雖然沒仔細統計過 ，但是不誇張地說 ，我們進行了上萬次實驗 ，失敗 、總結 、調整方案 ，而後再進行實驗 。那段時間幾乎每天都這樣周而復始循環地工作着 。」

可喜的是 ，在鞏教授團隊上萬次的實驗之下 ，距離奇蹟的出現已經越來越近 ，二氧化碳變成有機物的轉化率 ，高達90%以上 。

人工樹葉創意圖 圖源/網絡

試想 ，若是有一天我們種下一棵棵長滿「人工樹葉」的蒼天大樹 ，那麼我們親手排放的那些二氧化碳 ，是否有可能又被我們親手回收呢？

給地球降溫 ，這樣的黑科技 ，值得我們期待 。