为我们的生活提供动力的大部分能源都来自植物。无论是数亿年前形成的化石燃料，还是我们吃的食物，所有以碳为载体的能源最终都源自植物光合作用。
燃烧化石燃料（古代植物的石化遗骸）并将其中储存的碳释放到大气中，正在使地球变暖，并带来 可能造成毁灭性的后果。
简而言之，光合作用利用阳光中的能量，将水和二氧化碳转化为植物结构。它还会储存能量。
鉴于我们亟须迅速摆脱对化石燃料的使用，研究人员在世界各地争分夺秒地探索将植物材料转化为更实用燃料的方法，这并不令人意外。其中一种方法是通过人工光合作用，模仿植物产生能量的过程。
而一项 近期发现 或许能为生产新型气候友好型燃料迈出重要一步。
在植物擅长的领域胜过植物
从收集和储存太阳能的角度来看，植物光合作用的效率其实相当低。世界的能源需求不太可能仅靠生物燃料等植物来源来满足——因为根本没有足够的土地种植足量的植物。
另一种方法是了解光合作用中发生的基本过程，并在工业环境中加以模仿——这一理念称为人工光合作用。
如果能够开发出比植物光合作用效率更高的人工光合作用，那么我们很大一部分燃料需求理论上就可以由这些“太阳能燃料”工厂满足。只要阳光和水源充足，它们就可以在各地建设，而大气则提供其余所需。
不过，人工光合作用仍在发展之中。研究人员已经提出多种方案，以应对实现人工光合作用大规模运行所面临的挑战。
一如既往，关键在于细节：深入研究自然光合作用的运作方式，我们会发现植物进化出了一套多步骤的过程。
光合作用如何运作
首先，需要收集光能。在植物中，这项工作由一种称为天线分子的光捕获复合体完成，它们存在于叶片的叶绿体中。
接着，植物利用收集到的光能产生以电子形式存在的自由能，并分解水分子以获得氧分子。这一反应由一种氧化锰化合物“催化”。
随后，这些电子被传递到另一处，并从另一束阳光光子中获得额外的能量提升。由此，二氧化碳生成新的碳分子。
这一过程的关键在于催化剂。这些催化剂必须能够吸收光并释放能量，以电子的形式传递电子，进而分解二氧化碳分子。
显然，要完成这些不同任务，需要结合多种材料。为了有效发挥作用，这些不同材料必须彼此紧密接触，因此所有材料都需要缩小到纳米颗粒的尺度。
更接近答案
我们团队近期取得了重大进展：莫纳什大学ARC电材料科学卓越中心（ACES）实验室的研究人员李海涛博士开发出一种新型催化剂。这项发现近期发表于 《先进能源材料》。
李博士取了微小的氧化亚铜球体（Cu2O）（直径约1微米，即千分之一毫米），并在其表面随机位置附着了微小的碳点（直径约2纳米）。
氧化亚铜能非常有效地吸收光，从而释放以电子形式存在的能量，同时将CO2附着在其表面。碳点则有助于分解水分子。
暴露在阳光下后，这种催化剂会持续吸收并转化CO2。这一过程的产物是甲醇——一种用途极广的液体燃料，可用于驱动汽车、为住宅供暖或发电。
碳捕集 ——即从发电站烟道中捕集CO2——可能会加快人工光合作用技术的发展。目前，这些CO2没有其他用途，因此必须将其“封存”在地质构造中，经济成本相当高。
由于人工光合作用可以直接利用这种高浓度CO2，它将使碳捕集技术更具经济性。这些CO2将成为高效人工光合作用过程的理想原料。
世界各地的研究团队正从多个方向研究人工光合作用；在澳大利亚国立大学汤姆·福恩斯教授的带领下，一项日益壮大的运动正致力于协调这些努力， 从更高层面 加快进展（另见 此处）。
合作发表 作者：道格·麦克法兰是莫纳什大学化学教授。
图片：2014年7月30日，一名工人在新加坡Sky Greens垂直农场的一座塔上采收新鲜农产品。路透社/Edgar Su
