原创 第一代人造光合作用技术诞生(原理图)

美国麻省理工学院(MIT)近日在最新的美国国家科学院(National Academy of Sciences，NAS)期刊发表了以人造光合作用技术(artificial photosynthesis technologies)为基础的永续性科技蓝图；该份详细的科学分析文件，为新一代节能技术建立了基准，并列举了建立以人造光合作用为基础的永续性“ 氢经济(hydrogen economy)”所需的技术研发成果。

MIT表示，有兴趣的工程师们可通过( 该文件 )来了解目前相关技术的情况，以及如何让那些技术实际运用、降低成本以及商业化。“最值得注意的是，这个我们形容为“出发点(starting point)”的技术是已经获得公认；”MIT教授Tonio Buonassisi指出：“我们也提出所有的挑战，因此科学研究人员与工程师可开始实验性地应对每个挑战。”

该技术蓝图是Buonassisi与前任MIT教授Daniel Nocera (现任职哈佛大学)、前MIT博士后研究员Mark Winkler(现任职IBM)，以及前任MIT博士后研究员Casandra Cox(现任职哈佛大学)等人的合作成果。这些研究人员已经制作出一个人造光合作用的概念验证原型，在NAS发表的论文则是第一次提出可实现的技术蓝图。

在自然界，植物透过光合作用将自然资源──水以及吸取自土壤的养分──转换成称之为三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)的“燃料”，可储存起来并在植物进行代谢时提供所需能量。根据MIT的论文，第一代人造光合作用技术采用的光电电池(photovoltaic cells)外面涂布了化学催化剂，能最优化将水透过电解作用转换为氢燃料的过程；然后再利用燃料电池将储存的氢燃料转换成可用电力。

图A是采用直接光电耦合的电化学电池电路；一边是单个光电电池(图B左)，一边是三个指叉型光电电池(图B右)

据了解，目前的人造光合作用技术转换效率不到5%，但研究人员预期，若该技术依循蓝图发展，未来采用标准晶硅太阳能电池的效率可超越16%，若采用砷化镓(GaAs)材料甚至可达到18%的转换效率。MIT的技术蓝图将不同型态的新一代光电电池以及化学催化剂相互搭配，并提出将电池堆叠起来的多种方法，以最优化电解作用、达到更高的电压。

该技术蓝图也记载了如何同时通过化学方法与物理架构──例如交错排列的平面(interleaved plate)──来降低电解质(electrolyte)的阻抗，以维持渐进式的效率提升。MIT研究专案的赞助者还包括美国国家基金会(NSF)、美国空军科研办公室(the Air Force Office of Scientific Research)、新加坡国家研究基金会(MIT与新加坡的研发联盟) ，以及Chesonis 家族基金会。

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