《自然-合成》：二氧化碳變乙烯，美國人工光合作用突破！

美國科學家發明了一種神奇的人工光合作用裝置，只用陽光不耗電，就可以把二氧化碳變成乙烯，並正在研究將其變成燃料。這意味着未來石油天然氣就可以光榮退休了，地球變暖也只能無功而返了——二氧化碳通過陽光實現自循環，就能提供現代社會最重要的資源，還有化石燃料什麼事呢？這項研究已發表在9月12日《自然-合成》雜誌上。

這項技術來自密歇根大學電氣與計算機工程系米澤天（Zetian Mi）教授領導的團隊。此前乙烯和燃料都來自於石油天然氣，冶煉過程需要高溫高壓，導致大量的二氧化碳排放，可以說是地球變暖的罪魁禍首。

然而我們卻無可奈何，因爲沒有石油，沒有乙烯，你買菜都得再提回以前那個土得掉渣的竹籃子，喝飲料都得拎上笨重的玻璃瓶。

密歇根大學團隊的秘密武器，是一種硅基上培育出來的氮化鎵納米線“森林”，每根只有50納米寬，大約相當於幾百個原子聚集在一起。納米線上散佈着許多“銅族大俠”，每一族大約有30個銅原子組成的小團隊。

當這片納米線“森林”被浸入含有二氧化碳的水中，再一曬太陽——特別是中午的陽光時，一場“武林”大戲就開始上演了，光能不斷釋放出電子，給納米線表面“充電”，起勁地分解水分子生成氫氣。

氫原子那叫一個身輕如燕，凌波微步就想溜之大吉。但銅族大俠可不是吃素的，它們左手一招“擒氫手”，輕鬆把氫原子抓住，右手再使出“捕碳術”，牢牢鎖定二氧化碳。緊接着下盤一招無影腿“雙龍戲碳”，把兩個氧原子給踢飛，剩下水中凌亂的碳正不知所措時，銅大俠手中的氫姊妹已經撞入它們懷中，來了個3P拉郎配，組成了一個個幸福的乙烯（C₂H₄）小家庭。

研究發現，這種半導體在光線照耀下產生的自由電子中，有61%都參與了乙烯反應，比另外一組銀/銅基催化劑效率（50%）更高，並且非常地穩定。

銀/銅基催化劑需要在碳基流體中運行，幾個小時就會降解。而這種銅基的因爲氧氣的加入改善了催化劑，形成自我修復機制，讓這套設備運行了116個小時也沒有任何降解，並且類似的設備已運行了3000個小時。

可以比較的是，類似的競爭裝置生產乙烯的速率只有它的四分之一不到，這意味着這種可以自我修復，邊幹活邊給自己“打補丁”的人工光合作用裝置具有極大的潛力，科學家們已經申請了專利，準備和初創公司合作將其推向市場。

怎麼樣？是不是很黑很科技？如果這項研究真的能夠成爲現實，未來我們將可能靠着陽光驅動的二氧化碳自循環，過上乙烯和燃料自由的生活。吃着碳，開着車，就把地球給拯救了。

參考資料：

“Interfacially coupled Cu-cluster/GaN photocathode for efficient CO2 to ethylene conversion” by Bingxing Zhang, Peng Zhou, Zhengwei Ye, Ishtiaque Ahmed Navid, Yuyang Pan, Yixin Xiao, Kai Sun and Zetian Mi, 12 September 2024, Nature Synthesis. DOI: 10.1038/s44160-024-00648-9