簡介
人造光合作用光合作用廣泛存在於自然界，葉綠體收集太陽光能，將水和二氧化碳轉化為有機物（首先是葡萄糖），並釋放出氧氣。但這只是最終結果，整個過程一開始是將水和二氧化碳氣轉化為氧，自由的質子和電子。在光合作用中產生了兩個化學反應，葉綠素分子失去兩個電子，水分子發生分解。儘管光合作用在各種教科書中都得到了詳盡的闡述，但是想人工實現這一過程卻絕非易事，主要的問題在於缺少有效地電解水的媒介，在植物中充當這一媒介的是葉綠體。
眾所周知，水能夠電解成氫和氧，但整個過程毫無意義。為了提高這一性能，化學家們提供了能促使反應在更低電壓情況下進行的催化劑。目前只有釕和鉑能充當這種媒介，當然這兩種金屬都很昂貴，除此之外，反應要進行還需要特定的溫度條件和氣壓。
模擬光合作用儲存太陽能的技術早在上世紀70年代初就進入了科學家的視線。幾十年來，研究人員一直在嘗試複製綠色植物分解水的方式。利用化學方式，科學家早已能夠完成水的分解反應，但這些化學反應條件非常苛刻，溫度很高，溶液具有腐蝕性很強的鹼性，而且催化劑需要用到鉑等稀有而昂貴的化合物。丹尼爾的設計就像光合作用一樣，分解水的反應在室溫下就可進行，溶液也沒有腐蝕性，更重要的是催化劑非常便宜，可以很容易地得到氫氣和氧氣。
研究狀況
據美國“每日科學”網站2009年3月12日報導，美國加州大學伯克利分校的科學家，在這一領域取得了重大突破，找到了可使光合反應順利進行的特殊催化劑。在此基礎上，科學家期望徹底弄清光合作用的奧秘，使人工光合作用能大規模用於生產和生活。
據國外媒體報導，美國麻省理工學院（MIT）的科學家日前在實驗室內再現了光合作用的過程，在整個過程中光合作用將水分解成氫和氧，並產生了可供燃燒的氫氣和氧氣。該實驗的意義在於光合作用產生的能量能夠被人類利用，這種技術將引發一場太陽能使用革命，並補償煤炭，石油等不可再生資源的損耗。這兩名科學家名叫諾塞拉（Daniel Nocera）和卡南（Matthew Kanan），他們找到了一種簡單實惠的方法將水分解成氫氣和氧氣，這種方法的原理和光合作用差不多，只是將太陽能轉化了可燃燒的氫氣和氧氣。
催化物
研究人員已發現，特殊的蛋白質“光合體系Ⅱ”作為催化劑載體，起催化作用的是一種含錳的生化酶。在沒有綠色植物這個光合作用載體的情況下，人們期望找到一種人工催化劑以替換“光合體系Ⅱ”。加州大學勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員正是找到了高效的催化劑——氧化鈷納米顆粒，實現了高轉化率的光解反應，相關論文已發表在德國《套用化學》期刊上。
這個系列實驗是在加州大學勞倫斯伯克利國家實驗室“太陽神”太陽能研究中心完成的，該研究中心由華裔科學家、諾貝爾獎獲得者朱棣文創立。他也是勞倫斯伯克利實驗室的主任。主要參加者是研究中心主任海因茨·弗雷和他的博士後、旅美華人學者焦鋒（音）。弗雷介紹說，光解反應對催化劑要求極為苛刻，在經過無數次實驗後，他們發現氧化鈷納米晶體既高效又快速，反應持久，也容易得到，正好能滿足要求。
最開始，他們用毫米級的氧化鈷顆粒做實驗，效果不理想。後來改用納米級的氧化鈷顆粒，欣喜地發現反應速度大大提高。弗雷表示，使用氧化鈷納米“團簇”（多個納米束組成的團狀結構）做催化劑的反應速度是毫米糰簇的1600倍，每個團簇每秒約能裂解1140個水分子，反應功率（指每秒吸收的能量）與地面附近的太陽輻射能相當，約為每平方米1000瓦。
發展前景
原理雖然找到了理想的催化劑，但研究人員表示，這可能是偶然之中的意外收穫，還有很多問題有待解決，解決這些問題將有利於進一步提高催化效率。
研究人員使用較普遍的介孔矽（中間有孔洞的二氧化矽晶體）作為氧化鈷載體，通過一種“濕性注入”的技術將納米束植入其中。最理想的情況是直徑約為８納米、長50納米的團簇，團簇中的納米管互相連線，彎曲成直徑約３５納米的球體。但當使用其他形狀的納米糰簇時，催化效率就又大大降低。弗雷猜測說，納米糰簇的形狀可能對催化反應起決定作用。目前，弗雷與焦鋒正在進行進一步實驗，試圖探明其中的機理。
弗雷與焦鋒的研究成果無疑給人工光合作用打了一針強心劑。因為在這之前，主要研究重點放在催化反應過程上，高效催化劑一直未能找到。弗雷表示，無論從催化劑的易得性、納米糰簇的穩定性、反應中所加的電壓，還是酸鹼度、溫度方面來說，氧化鈷的催化效率已同“光合體系Ⅱ”相當。研究人員的下一個任務是，建立一個切實可行的太陽能能量轉換系統，將反應產生的氫氣以無污染的方式轉化成能量。
儘管取得了重大進展，但研究人員並不認為綠色能源近在眼前。“每日科學”的文章分析說，目前人工光合作用面臨著三大難題：如何捕捉太陽能；如何以電子的形式將太陽能轉運到反應中心；如何在光合作用的循環過程中補充電子。其中前兩個難題已經基本得到了解決，但至今還不知道如何解決第三個難題。要解決這個問題最好的辦法就是，徹底弄清光合作用的反應機理。
光合作用的基本過程是在葉綠體內進行的。葉綠體吸收光子，並傳導給葉綠素，使它釋放出高能電子，用於將二氧化碳還原為糖。葉綠素分子每丟失１個電子，催化核心就會從水分子中抽取１個電子為其補充。這樣，經過４輪電子轉移，兩個水分子轉化為１個氧氣分子、４個電子和４個氫離子，然後重新開始新一輪的循環。但在人工過程中很難實現電子補充，研究人員希望，在循環過程中將這一難題儘快攻破，到時人類就能像植物一樣，將太陽光轉化為可以利用的能量。
