嶄新光催化系統把二氧化碳轉為燃料 效能更勝自然光合作用

香港城市大學（城大）學者有份參與領導的聯合研究團隊最新研發出一種穩定的人工光催化系統，轉化太陽能的效率較天然光合作用更高。該嶄新系統模仿自然界的葉綠體，能夠利用光能把水中的二氧化碳轉化為甲烷這具價值的燃料。這一突破性發現，有助促進實現碳中和的目標。

自然界的光合作用是指植物和一些生物體內的葉綠體，利用陽光、水和二氧化碳製造出食物（養分）或能量的過程。數十年來，科學家們一直嘗試開發不同的人工的光合作用系統，以求有效地把溫室氣體二氧化碳轉化為碳中和燃料。

有份領導今次聯合研究的城大化學系副教授葉汝全教授點出當中困難之處︰「要把水中的二氧化碳轉化是非常困難的，因為許多光敏劑或催化劑在水中會降解。」他續說：「雖然人工光催化循環已經被證明具有更高的內在效率，但在水中進行二氧化碳還原反應（carbon dioxide reduction）時，仍受制於還原反應的低選擇性和穩定性的問題，窒礙了有關技術的實際應用。」

有見及此，在最新的研究中，來自城大、香港大學、江蘇大學和中國科學院上海有機化學研究所的聯合研究團隊便通過使用「超分子組裝方法」，開發出一套嶄新的人工光合作用系統。該人工光合作用系統模仿了自然界一種紫色細菌用來吸光的色素體（即含有色素的細胞）的結構，這些色素體能以非常有效的方式把從太陽取得的能量作出轉化。

這套新型的人工光合作用系統的關鍵，是一種穩定性極高的人工納米膠束（nanomicelle），它是一種在水中可以自我組裝的聚合物，並同時具有親水和疏水各一端。這種納米膠束的親水頭部可充當光敏劑來吸收陽光，其疏水尾部則可作為自組裝的誘導劑。當把它放入水中時，由於水分子與納米膠束尾部之間的「分子間氫鍵作用」（intermolecular hydrogen bonding），納米膠束會自組裝，合合為一體。當添加鈷催化劑，即會引發光催化製氫及轉化二氧化碳，從而產生氫氣和甲烷。 

聯合研究團隊並利用先進的成像技術和超快光譜學，揭示了這種創新光敏劑的原子特性。他們發現，納米膠束親水性頭部的特殊結構，以及水分子與納米膠束尾部之間的氫鍵作用，使它成為穩定及與水相容的人工光敏劑，解決了以往人工光合作用系統不穩定及與水不相容的難題。光敏劑與鈷催化劑之間的靜電作用，以及納米膠束展示強大的「吸光天線效應」，均提高了光催化過程的效率。

在實驗中，研究團隊發現若利用新的人工光催化系統去轉化太陽能，甲烷的生產率超過13,000μmol h⁻¹ g⁻¹，24小時內的量子產量亦達到5.6%。它把太陽能轉化為燃料時更實現了高達15%的高效率，超越了自然界的光合作用。

最重要的是，新的人工光催化系統經濟上可行兼具有可持續性，因為它並不依賴昂貴的貴金屬。葉教授說：「這個嶄新系統的分層自組裝特色，提供了一種很有前景、由下而上的策略。它能夠利用地球蘊藏量極豐富的廉價元素如鋅和鈷卟啉複合物，開發出一種能精確調控的高性能人工光催化系統。」

葉教授相信，這項研究成果將有利於並可啟發未來光催化系統的設計，有效地用太陽能把二氧化碳轉化和減少，以實現碳中和的目標。

上述研究成果已發表於科學期刊《自然催化》（Nature Catalysis），標題為〈Artificial spherical chromatophore nanomicelles for selective CO₂ reduction in water〉。

論文的第一作者是來自上海有機化學研究所的于軍來博士和城大的黃麗蓓博士。通訊作者則分別是葉教授、香港大學裴達偉教授、江蘇大學杜莉莉教授以及上海有機化學研究所田佳教授。

這次研究獲得了包括中國國家自然科學基金、廣東省基礎和應用基礎研究基金、深圳市科技計劃以及香港研究資助局等機構的資金支持。