《自然-合成》：二氧化碳变乙烯，美国人工光合作用突破！

美国科学家发明了一种神奇的人工光合作用装置，只用阳光不耗电，就可以把二氧化碳变成乙烯，并正在研究将其变成燃料。这意味着未来石油天然气就可以光荣退休了，地球变暖也只能无功而返了——二氧化碳通过阳光实现自循环，就能提供现代社会最重要的资源，还有化石燃料什么事呢？这项研究已发表在9月12日《自然-合成》杂志上。

这项技术来自密歇根大学电气与计算机工程系米泽天（Zetian Mi）教授领导的团队。此前乙烯和燃料都来自于石油天然气，冶炼过程需要高温高压，导致大量的二氧化碳排放，可以说是地球变暖的罪魁祸首。

然而我们却无可奈何，因为没有石油，没有乙烯，你买菜都得再提回以前那个土得掉渣的竹篮子，喝饮料都得拎上笨重的玻璃瓶。

密歇根大学团队的秘密武器，是一种硅基上培育出来的氮化镓纳米线“森林”，每根只有50纳米宽，大约相当于几百个原子聚集在一起。纳米线上散布着许多“铜族大侠”，每一族大约有30个铜原子组成的小团队。

当这片纳米线“森林”被浸入含有二氧化碳的水中，再一晒太阳——特别是中午的阳光时，一场“武林”大戏就开始上演了，光能不断释放出电子，给纳米线表面“充电”，起劲地分解水分子生成氢气。

氢原子那叫一个身轻如燕，凌波微步就想溜之大吉。但铜族大侠可不是吃素的，它们左手一招“擒氢手”，轻松把氢原子抓住，右手再使出“捕碳术”，牢牢锁定二氧化碳。紧接着下盘一招无影腿“双龙戏碳”，把两个氧原子给踢飞，剩下水中凌乱的碳正不知所措时，铜大侠手中的氢姊妹已经撞入它们怀中，来了个3P拉郎配，组成了一个个幸福的乙烯（C₂H₄）小家庭。

研究发现，这种半导体在光线照耀下产生的自由电子中，有61%都参与了乙烯反应，比另外一组银/铜基催化剂效率（50%）更高，并且非常地稳定。

银/铜基催化剂需要在碳基流体中运行，几个小时就会降解。而这种铜基的因为氧气的加入改善了催化剂，形成自我修复机制，让这套设备运行了116个小时也没有任何降解，并且类似的设备已运行了3000个小时。

可以比较的是，类似的竞争装置生产乙烯的速率只有它的四分之一不到，这意味着这种可以自我修复，边干活边给自己“打补丁”的人工光合作用装置具有极大的潜力，科学家们已经申请了专利，准备和初创公司合作将其推向市场。

怎么样？是不是很黑很科技？如果这项研究真的能够成为现实，未来我们将可能靠着阳光驱动的二氧化碳自循环，过上乙烯和燃料自由的生活。吃着碳，开着车，就把地球给拯救了。

参考资料：

“Interfacially coupled Cu-cluster/GaN photocathode for efficient CO2 to ethylene conversion” by Bingxing Zhang, Peng Zhou, Zhengwei Ye, Ishtiaque Ahmed Navid, Yuyang Pan, Yixin Xiao, Kai Sun and Zetian Mi, 12 September 2024, Nature Synthesis. DOI: 10.1038/s44160-024-00648-9