今年1月，美国总统奥巴马在一次演讲中提及，需要找到能够将阳光转化为液体燃料的方法。这已经不是奥巴马第一次提及人工光合，可见该技术热度渐升。
就现状而言，目前人造光合作用国内及国外大部分进行的都是基础研究，“并不是说哪个技术可以就增加对其的投入，而是从各个方向进行试验，最后看哪个成功，目前试验是加入各种催化剂，包括无机和有机。” 中科院化学所、中国可再生能源学会化学专委会秘书长林原向上证报记者介绍。
因此，人工光合技术要走向量产仍有很长的路要走，但包括科学家、政府、企业在内的各方面都在大力推动这一技术发展。毕竟，鉴于对高污染能源的替代性及其中蕴含的巨大商机，人工光合，值得人们为此一搏。
⊙记者 姜隅琼 王宙洁 ○编辑 谷子
人类进步的历史大抵与不停地解决一个有一个麻烦事有关。比如，在游轮上安装空气过滤系统，或是游说厂商进行更安全的肉类生产。
然而，英国卫报专栏作家布鲁斯·沃森发现，解决方案通常都是在一个问题已经成为危机时才出现。他问道：我们是否能够在过程开始之初就阻止问题的发生，而不是在结束时才行动？比如当人们在试图减少化石燃料的排放时，是否可以完全跳过化石燃料这一能源?
一些研究人员或许在和沃森思考同样的问题，他们在植物身上找到答案。神奇的力量来自于转换阳光的能力，通过光合作用，植物将水和二氧化碳转化为有机物。而由于在能源转换时释放的是氧，整个过程清洁且具有可持续性。
想象一下，车子上的燃油泵利用和植物光合作用相同的过程用来“养活自己”，将二氧化碳转化为汽车燃料。这在未来将不再是科幻小说里的情节。如今，世界各地的多个研究小组都在致力于开发人工光合作用：借助阳光，用水和二氧化碳制造燃料和化学原料。
不久的将来，3D打印技术可以打印出虚拟现实，阳光理论上也可以造出人们需要的材料。而且，在这场全球气候战中，我们须需新的技术给能源转化率以及碳排放质的飞跃。尽管技术难度很大，但世界各国都在全力以赴实现实用化。人造光合作用，或许是潜在的从根本上解决环境污染和能源危机的技术之一。
对抗“碳排放”
工业进程加速、汽车尾气排放剧增……伴随人类活动的不断演进，碳排放成为挥之不去的忧虑点。联合国曾警告称，不减少温室气体排放会给社会带来各种威胁，包括粮食短缺、难民危机、大城市甚至整个岛国被洪水淹没、动植物物种大灭绝，以及气候极大幅度的变化等。
在全球范围内，就气候变化提出的目标雄心勃勃。今年6月初，出席七国集团（G7）峰会的各国领导人达成一致，承诺本世纪末实现无碳经济，并计划2050年将温室气体排放量削减40%至70%。将于年底召开的巴黎气候大会，全球190多个国家和地区自主提出的减排贡献为基础编制的限制温室气体协议有望形成。
国际能源署（IEA）统计数据显示，2014年全球二氧化碳排放量为323亿吨，与2013年持平，与此同时2014年全球经济上涨了3%。IEA将此归功于中国和经合组织国家能源消耗模式的转变，包括水、太阳能、风能等可再生能源发电。占1/4全球碳排放的中国2014年一次能源消费明显下降，经济结构调整，去年碳排放仅增加0.9%。
中国作为最大的煤炭使用国和碳排放量第一大国， 6月30日刚刚向《联合国气候变化框架公约》秘书处提交了中国应对气候变化国家自主贡献文件，确定二氧化碳排放2030年左右达到峰值并争取尽早达峰；单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%至65%。至此全球超40个国家已提交国家自主贡献文件，涵盖全球60%的气体排放。
但在遏制碳排放的同时，人类也亟须探寻绿色的“未来能源”。
向植物学习光合作用
专家们注意到，植物的光合作用是这种理想能源的雏形。这种反应过程包括两个阶段，第一是借助阳光分解水的光反应阶段，第二是利用光反应产生的成分与二氧化碳生成碳水化合物的暗反应阶段。
类似于植物，人类也可以模仿这一步骤实现能源的转化。和植物的运作原理不同的是，人工光合作用除了上述两个阶段以外还有一个中间阶段。首先，需要利用阳光把水分解成氢气和氧气，再从产生的气体中单独分离出氢气，最后利用氢气和二氧化碳制造出化学原料。
简单概括人工光合作用的研究，就是寻找氧化水的催化剂，以及还原二氧化碳的催化剂。目前在全球范围内，光催化剂及金属络合物正成为人工光合作用研究的两大支柱。
早在20世纪70年代初，光解化制氢的研究成为全世界关注的方向。而使用“金属络合物”作为催化剂的方法，是最接近传统的光合作用。在人类的血液中，含有的血红蛋白是以铁为中心的金属络合物，在光合作用中充当催化剂的叶绿素是以镁为中心的金属络合物。
国内在光催化领域研究领先的中科院大连化学物理研究所太阳能光催化研究小组便发现，光催化分解水制氢是从根本上解决能源危机和环境污染的理想途径之一。
经过30年的研究，科学家们已经取得了重大进展，在过去五年将人工光合作用的技术推动到了新的高度。2012年，丰田中央研究所仅利用水、二氧化碳和太阳能，在全球首次成功合成了有机物。那一年，松下也成功合成了常被用于香料和染料的有机物“甲酸”，转换效率为0.2％，达到了当时世界最高水平。
2013年末，松下开发出了可以生成甲烷，直接作为燃料使用的人工光合系统。松下把目光对准了照射氮化镓（GaN），这是一种是用来制作蓝色LED（发光二极管）和功率半导体的材料。松下将这种材料作为催化剂使用金属催化剂作为电极，成功把二氧化碳转换成甲酸和甲烷。
到了今年初，东芝利用入射光能量除以生成的一氧化碳能量所得的转换效率达到了1.5％。这一数值可媲美植物中效率较高的藻类的光合作用。
随着技术进步，阳光利用率在不断提高。日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的项目组今年3月宣布，成功以2％的太阳能利用率，用水制造出了氢气。并且通过NEDO项目开发的人工光合作用技术投入使用，生产过程将可以不排放二氧化碳，反而进行吸收并生产出有益的化合物。
而加州理工学院的科学家们已经创建了一个实验室规模的装置，将10%的阳光转化为燃料。
“未来只需要太阳光、二氧化碳和水就能生产出汽车燃料、高分子材料和药品。”6月初，在一场光电子学的国际研讨会上，国际材料学家、美国艺术与科学院院士杨培东如是说。
杨培东介绍，他正在研究的系统类似于绿叶的光合作用系统，只不过绿叶的光合作用产物是氧气和碳水化合物，而这个系统的产物是氧气和其他化学物质，所以也称作人工光合作用系统。“在由半导体硅和催化剂组成的装置中，太阳光与二氧化碳和水反应生产出可用于汽车燃料的丁醇、高分子材料、药品等化学品。”
据了解，人工光合作用系统目前的能源转化率已经达到0.4%。“这个效率其实并不低，绿叶的光合作用的转化率仅有0.3%。下一步我们准备改进催化剂，把效率提高到2%到3%，等到效率到达5%差不多就可以量产了。”
政策扶持全面跟进
除了学界和业界的热情，政策面的作用同样不可或缺。今年1月，美国总统奥巴马在一次演讲中提到，需要找到能够将阳光转化为液体燃料的方法。这已经不是其第一次提及人工光合。
为了攻破人工光合作用技术，2010年7月美国能源部宣布在5年内将投资1.22亿美元成立由美国加州理工大学和劳伦斯伯克利国家实验室联合光合作用研究中心，该研究的主要任务就是“将太阳光变成燃料”。
今年二季度，美国能源部宣布更新其5年7500万美元的赠款，用于加州理工学院联合人工光合作用中心，该机构致力于开发人造太阳能燃料发电技术。
在日本，日本经济产业省向NEDO的项目投入了150亿日元资金。据日本媒体报道，日本经济产业省从2012年7月开始，启动一项由企业研究所和大学等约10个团体参加的，名为“二氧化碳原料化基础化学品制造工艺技术开发”的新计划，目标是用10年的时间实现人工光合作用的实用化。第一年，即2012年度的预算为14.5亿日元。
而以首都大学东京的井上教授为中心设立了人工光合作用论坛。
目前人造光合作用国内及国外大部分进行的都是基础研究，“并不是说哪个技术可以就增加对其的投入，而是从各个方向进行试验，最后看哪个成功，目前试验是加入各种催化剂，包括无机和有机。” 中科院化学所、中国可再生能源学会化学专委会秘书长林原向上证报记者介绍。用人工分子进行实验有两种，一是跟植物完全一样，二氧化碳加水加光照生成所需要的有机物；二是水和催化剂在光照条件下放在一起，生成氢和氧。
也就是说，目前人工光合作用技术的研究集中在催化剂的试验上。事实上，太阳能光伏就是用硅或砷化镓用在太阳能电池板上作为吸收光的普通半导体来制作电极。
中科院大连化学物理研究所李灿院士及他的团队，近年来也致力于太阳能光催化制氢的研究，其主持了国家级科研项目“人工光合成太阳能燃料的基础”。上证报记者在课题官网看到，6月10日，李灿带领的光催化小组与日本东京大学Kazunari Domen教授课题组合作，在可见光驱动光催化机制完全分解水制氢研究中取得进展。基于结构的高效光催化体系可完全分解水制氢体系，效率达到6.8%的文献最高值，宽光谱半导体材料掺氮后的新型半导体材料作为光催化分解水材料 ，是今后实现可见光完全分解水制氢的基础，
成本则是另一问题，林原告诉上证报记者，产业化还需至少5到10年，目前存在的问题一是效率太低，效率做到5%以上才能有实用价值；二是完全水分解成本高，加入甲醇、乙醇等稀释剂后，完全光解水，转化率可达10%至50%，然而一旦加入成本大幅提高，离产业化更远。
大鳄押注产业的未来
爱荷华州立大学化学和生化工程学助理教授侯赛尼也表示，人工光合技术要走向量产仍有很长的路要走。首先，这项技术仍然太贵，最大的挑战之一是，如何在不使用化石燃料的基础上，利用廉价成本从水中分离氢气和二氧化碳以及寻找到便宜的催化剂。
此外，研究者们已经想出了如何通过不同流程分解水和二氧化碳，但他们还没有想出一个单一的、持久的设备来完成这一过程。西北大学太阳能燃料研究所主管迪克表示，太阳能燃料研究所的研究人员采取了模块化的方法：他们计划把现有技术将水和二氧化碳在一起，构建区块式的风格。
海外媒体评论认为，在能源转换效率提高，达成实用化目标后，人工光合作用有可能会像太阳能电池一样，成长为巨大的市场，因此围绕转换效率的竞争预计估计会愈演愈烈。
微软联合创始人比尔·盖茨便表示，目前清洁能源科技的发展速度在2030年前无法跟得上人类对于能源需求增长的速度。未来几年可再生能源的研发工作所需要的数百亿美元经费应该由政府来承担。政府的投资规模应该达到现在的三倍才能够确立一种能够被广泛利用的，并且可靠的零碳排放能源。
诸如比尔·盖茨这样的资本大鳄深谙其中的机遇。他在近日宣布，计划在未来5年将自己对创新绿色技术的个人投资增加一倍，至20亿美元，其中包括加州理工学院研发的一种基于树叶化学反应的人工光合技术“太阳能化学发电项目”。
该技术由美国加州理工大学化学教授奈特·刘易斯研发，基于树叶进行光合作用的原理，用阳光将水分解成氢燃料。因为该技术产生的是液态氢燃料，大规模生产后可利用现有的输油管道进行运输，并且可用于现有的天然气动力汽车。
据报道，该实验室开发出一种新型的氧化镍保护膜，模拟人工树叶，使太阳能分解生产燃烧的效率、稳定性、安全性以及效果达到前所未有的高度，创造出一个安全、高效的人工光合作用系统，复制了自然界中植物利用阳光将水、二氧化碳转化成氧气和碳水化合物类燃料的过程。
HyperSolar的首席执行官蒂姆说，“当我们发展出一种经济的方法来模拟光合作用，其带来的影响将覆盖从全球变暖到世界经济的各个方面。”
加州理工学院的人工光合作用联合中心的主任哈瑞则说，就像30年前的太阳能一样， 它正开创一个全新的产业。