剑桥大学的研究人员研发出一种以太阳能为动力的装置，该装置可模拟光合作用，将二氧化碳、阳光和水转化为具有价值的化学燃料。

他们研发的无毒“半人造树叶”能够持续高效运转，生产出高纯度的药物化合物。这一发现或将助力化学制造领域实现化石燃料替代，开启绿色化学新纪元。

可持续化学领域的突破

科学家发现了一种可持续的新方法，用于生产构成我们日常使用的数千种产品（包括塑料和化妆品）的关键化学物质。

全球化学工业通过将原材料（多为化石燃料）转化为成品，制造出种类繁多的化合物。鉴于该行业规模庞大且高度依赖这些高碳资源，其碳排放量约占全球总量的6%。

如今，剑桥大学牵头的一个团队正致力于研发创新技术，以期最终能让这一关键产业“摆脱对化石燃料的依赖”，使化学品生产更具可持续性。

半人造树叶

研究人员设计出一种混合系统，该系统将吸光有机聚合物与细菌酶相结合，可将阳光、水和二氧化碳转化为甲酸盐——这是一种能够驱动其他化学反应的清洁燃料。

这种“半人造树叶”模拟了光合作用——植物用以捕获并储存太阳能的自然过程，且其运行完全无需外部电源。与早期依赖不稳定或有毒材料的版本不同，这种新型生物混合模型更为安全、耐用，且无需添加可能降低性能的额外添加剂。

将二氧化碳转化为高价值化学品

测试期间，研究团队成功利用阳光将二氧化碳转化为甲酸盐，随后直接将该甲酸盐通过一系列“多米诺”反应，合成出一种重要的药物化合物，且产率和纯度均令人瞩目。

他们的研究成果发表于《焦耳》杂志，这标志着有机半导体首次被用作此类生物混合装置中的光捕获组件，为新型可持续人造树叶的研发开辟了道路。

化学工业在世界经济中占据核心地位，其产品涵盖医药、化肥、塑料、涂料、电子产品、清洁用品及个人护理用品等多个领域。

剑桥大学尤素福·哈米德化学系教授埃尔温·赖斯纳是该研究的负责人，他表示：“若要构建循环型可持续经济，化学工业是我们必须解决的一个重大而复杂的问题。我们必须想出办法，让这个为我们生产诸多必需品的重要行业摆脱对化石燃料的依赖。若能成功，这将是一个巨大的机遇。”

人工光合作用的更清洁途径

雷斯纳（Reisner）的研究团队专注于人造树叶的研发，这种人造树叶无需依赖化石燃料，就能将阳光转化为碳基燃料和化学品。然而，他们早期设计的许多产品都依赖于合成催化剂或无机半导体，这些材料要么降解迅速，要么会浪费大部分太阳光谱，要么含有铅等有毒元素。

“若能去除有毒成分，转而使用有机元素，我们就能实现纯净的化学反应，仅生成单一产物，且无任何不必要的副反应，”共同第一作者塞琳·杨（Celine Yeung）博士表示。此研究是她在雷斯纳（Reisner）实验室攻读博士学位期间完成的成果。“这一装置集两者之长于一身——有机半导体可调且无毒，而生物催化剂则具有高度选择性和高效性。”

这款新型装置将有机半导体与硫酸盐还原菌中的酶相结合，可将水分解为氢气和氧气，或将二氧化碳转化为甲酸盐。

破解酶稳定性难题

研究人员还攻克了一个长期存在的难题：大多数系统需要借助化学添加剂（即缓冲剂）来维持酶的活性。然而，这些添加剂会迅速分解，从而限制系统的稳定性。研究人员将一种名为碳酸酐酶的辅助酶嵌入多孔二氧化钛结构中，使该系统能够在类似于气泡水的简单碳酸氢盐溶液中运行，无需添加不可持续的添加剂。

“这就像一个大型拼图游戏，”共同第一作者、雷斯纳实验室博士后研究员刘永鹏博士说道，“我们拥有所有这些不同的组件，一直试图将它们整合起来以实现单一目标。我们花了很长时间才弄清楚这种特定酶是如何固定在电极上的，但现在，我们开始看到这些努力结出的硕果了。”

杨（Yeung）表示：“通过深入研究这种酶的作用机制，我们得以精准设计出构成我们类三明治装置各层结构的材料。这一设计使得各部件协同作用更为高效，从微小的纳米尺度直至完整的人工叶片层面均是如此。”

创纪录的效率与耐用性

测试表明，这种人造叶片能产生高电流，并且在引导电子参与燃料生成反应方面实现了近乎完美的效率。该装置成功运行了超过24小时，是先前设计时长的两倍多。

研究人员希望进一步改进设计，以延长该设备的使用寿命，并对其进行调整，使其能够生产不同类型的化工产品。

雷斯纳表示：“我们已经证明，能够制造出不仅高效耐用，而且不含毒性或不可持续成分的太阳能设备。这或许会成为未来生产绿色燃料和化学品的基础平台——这为开展一些振奋人心且意义重大的化学研究提供了真正的机遇。”

参考文献：塞琳·温茜·杨（Celine Wing See Yeung）、刘永鹏（Yongpeng Liu）、大卫·M·瓦希（David M. Vahey）、塞缪尔·J·科布（Samuel J. Cobb）、维尔吉尔·安德烈（Virgil Andrei）、安娜·M·科伊托（Ana M. Coito）、丽塔·R·曼努埃尔（Rita R. Manuel）、伊内斯·A·C·佩雷拉（Inês A.C. Pereira）和埃尔温·赖斯纳（Erwin Reisner）所著《用于太阳能化学合成的有机半导体与酶结合的半人造树叶》，发表于2025年10月10日《焦耳》期刊。 DOI：10.1016/j.joule.2025.102165

该研究部分得到了新加坡科技研究局（A*STAR）、欧洲研究理事会、瑞士国家科学基金会、英国皇家工程院以及英国研究与创新署（UKRI）的支持。埃尔温·赖斯纳（Erwin Reisner）是剑桥大学圣约翰学院的研究员。塞琳·杨（Celine Yeung）是剑桥大学唐宁学院成员。