對抗全球氣候變暖 人工光合作用可將二氧化碳轉變為塑料

一則「北極圈罕見32℃高溫，有生之年，北極熊或將消失」的消息，將全球氣候變暖的表現以及可能引發的後果直觀地擺在了人們面前。

儘管有極地氣候研究人員在接受《南方周末》採訪時澄清，32℃高溫只是很小範圍的局地極端天氣，6月以來，整個北極圈內的平均溫度與歷史記錄相差不大。但與往年相比，今年夏季確實出現了更多高溫天氣。

「我們難以證明異常氣候的出現與氣候變暖直接相關，但氣候變暖確實提高了異常氣候發生的概率。」聯合國全球契約組織創始人Georg Kell曾表示。

為了延緩全球變暖，科學家們正在研究如何減少大氣中已有的二氧化碳含量，這其中包括了「人工光合作用」。

植物可以利用太陽能將二氧化碳和水轉化成碳水化合物。人工光合作用仿效自然界的光合作用，利用納米大小的光感應材料，將光能轉換成電能，由此產生氧化還原酶反應，將空氣中的水和二氧化碳轉化為相應的化學物質。

據美國物理學家組織網報道，今年年初，加拿大多倫多大學、美國加州大學伯克利分校已聯合研發出一種新型催化劑，可將二氧化碳轉化為乙烯。研究人員表示，藉助這種催化劑，二氧化碳發生還原反應時，可將乙烯產量實現最大化，同時反應中甲烷和一氧化碳的產生量將有所減少。

乙烯是合成塑料（聚乙烯及聚氯乙烯）等產品的基本化工原料。據中石化經濟技術研究院預計，就中國而言，2018年塑料消費量就將接近1600萬噸。乙烯是世界上產量最大的化學產品之一，乙烯產品占石化產品的75%以上。

納米顯微鏡下的催化劑表面。圖片來源：Canadian Light Source

多倫多大學材料科學工程博士Phil De Luna表示，上述研究項目在進行碳儲存的同時，還可減少人們對於石油和天然氣的需求，甚至可以解決塑料污染問題。「或許可以通過燃燒塑料、捕捉二氧化碳，並以此為原料再次製作塑料的方式，來進行有效的塑料回收再利用。」他說。

除了乙烯，人工光合作用也可以用於製成氫氣和甲醇，這是目前重要的清潔燃料。

比爾·蓋茨對人工光合作用制氫表示出了極大的興趣，他曾在接受路透社採訪時表示，「如果可行的話，這將是一件神奇的事，因為液態氫不像電池那樣存在間歇性故障，你可以把液體氫裝在燃料罐里，隨時根據需要燃燒。」

人工光合作用還可以與固氮作用相結合，前者產生的氫氣可以幫助固氮微生物，將空氣中的氮還原成可被植物吸收利用的氨。

如何提高轉化率是當前研究人員面臨的主要挑戰。學界對植物在自然狀態下進行光合作用的效率也沒有一個準確值，普遍觀點為不超過1%。

日本東芝公司曾在2014年宣布，其研發的人工光合作用技術的轉化率達到1.5%。但它表示，若要將該技術投入生產，轉換率至少要提高至10%。

2016年，美國加州大學伯克利分校的楊培東教授宣布，團隊構建出一套由納米線和細菌組成的獨特系統，可以將人工光合作用轉化率提高到10%。他表示，儘管該系統的成本和轉化率都已取得突破，但穩定性仍有待提升。哈佛大學的研究團隊也在同年宣布，藉助全新的鈷磷合金催化劑，他們研發的新一代仿生葉子的轉化率同樣突破10%。

人造葉片。圖片來源：Dexter Johnson

目前，包括瑞士Clieworks在內的多家企業正在或已建成大型二氧化碳工廠，嘗試以商業化的方式從大氣中提取並貯存碳。

但二氧化碳轉化技術仍處於初期階段。「二氧化碳的電化學轉化最接近商業化，」De Luna及其研究團隊在論文中提到，他們預計，「重大技術突破或許將在未來幾十年內產生。」

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