人工光合作用目前的進展和難點是什麼？

01-05

人工光合作用的研究內容有兩個：光催化的水分解和光催化的二氧化碳還原。具體的科學問題這裡不討論，我只提一點，就是目前人工光合作用的研究有一個邏輯上的困境：以光解水為例，當前光解水的研究都集中在將光敏材料與催化劑集成在一起，做成光催化劑（A, photocatalysis）或者光電化學池（B, photoelectrochemical cell）,不僅技術困難（合成光敏劑，合成催化劑，匹配半導體，構建電子傳遞通路）,而且成本高昂（貴金屬光敏劑或催化劑，半導體），最後能量轉化效率(solar-to-fuel efficiency)還非常低（&<1%），費時費力不討好。目前成熟的太陽能電池板能量轉化效率在20-30%左右，而商用電解水裝置的效率大概在70-80%左右，如果把這兩者串聯，那麼總的能量轉化效率solar-to-fuel efficiency也在20%左右，遠遠高於目前人工光合作用的最高效率（12.3%——其實這個效率也是用鈣鈦礦太陽能電池與電解水裝置串聯取得的，Water photolysis at 12.3% efficiency via perovskite photovoltaics and Earth-abundant catalysts 嚴格意義上也不屬於傳統的光解水），而且還很便宜。

所以這個邏輯困境在於，人工光合作用研究的主導方向——高效率和低成本目前在技術上都可以實現，那麼研究人工光合作用的意義在哪裡。

在人工光合作用領域的一位頂尖學者，行業巨擘來我校訪問，報告後被問到了這個問題，他的回答讓在場的聽眾會心一笑——「(solar panel + eletrolysis) not intellectually intense」。

希望各位先進有以教我。

（本回答以光催化器件為前提，粉體體系不與討論）

關於難點，膚淺的說幾個

對於分子催化：甭管什麼染料、催化劑、組裝方法，大部分體系的穩定性很差，能扛住五分鐘不衰減，Jacs等你（現在單純做分子催化很難發表高水平的論文）。

對於半導體催化：好用的半導體就那麼幾個，光陽極有BiVO4（不是很穩定，難修飾，速率控制步驟不在催化反應過程）、Fe2O3（電導率，遷移率很差）、WO3（吸光範圍不佳）；光陰極有NiO（非可見光吸收，很挫）、Cu2O（相當不穩定，需要保護）。特別是光陰極，如果能找到更好用的可見光吸收的p型半導體，意義很大。

目前來看人工光合作用的發展方嚮應該是有機分子-無機半導體雜化，詳細的內容可以關注我們將在joule發表的一篇綜述，因為還在技術編輯那裡校稿，上線的話會貼在這個答案里，目前看不到，抱歉。

只是簡單說說自己淺顯的看法，歡迎大家一起討論。

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首先我們要明白水分解的意義。

電能能儲存嗎？顯然電能很難直接儲存。鋰電池作為電能儲存設備目前應用在各種各樣的行業里，其原理是將電轉化為化學能儲存在鋰里。和鋰電池類似，氫氣的能量密度顯然要比金屬鋰大得多，water splitting的意義在於更高效的儲能。

就二氧化碳還原（還原為一氧化碳，甲烷之類的作燃料，二氧化碳製作碳酸酯聚合物不討論）來說，這個方向其實是沒有發展前景的。為什麼這麼說？首先我提個問題：二氧化碳從哪裡來？大家可以好好思考這個問題。大部分人的第一反應是：工業廢氣呀，石化燃料產生的廢棄呀，來源不是很豐富嘛？但是很顯然化石燃料是不可再生能源，當石化能源被替代時，空氣中稀薄的二氧化碳濃度又不足以支撐反應進行，二氧化碳的循環也就斷了，這個課題也就很難工業化了，況且產物的能量密度也不如氫氣。（不可靠的消息：楊培東組已經不再進行二氧化碳還原相關的課題研究，傳言僅供參考不負責，扔給大家一張ppt，和一段話，感興趣的可以體會一下）

Since today there is 21% O2 in the atmosphere, which as far as we know is derived entirely from photosynthesis, the mount of reduced carbon on our planet is enormous given that the atmospheric CO2 level is only 0.04%. This means that there is essentially an almost unlimited supply of fossil fuels, although presumably a great deal of the reduced carbon will not be readily obtainable. If it were, and if it was all burnt, our planet would returned to its original anaerobic state with a very high level of CO2 in the air

亂扯了這麼多，最後關於@小康村知青關注的問題。用太陽能電池供電的話也存在著個傳統光催化一樣的問題：成本和效率。也許太陽能電池接上電解池的效率比光催化高，那麼核電站接上電解池的效率豈不更高，所以說用這種效率和光催化的效率比意義其實是不大的。如果我沒記錯的話，核電的成本低於太陽能發電，那用太陽能電池供電更是多此一舉（僅僅只是因為利用了太陽光？其實solarcell根本上還是利用了核能），不如一步到位只研究電催化作為儲能的手段，至於電從哪裡來，當然是從電網裡來，who care。