研究人员展示了一种新的可持续方法来制造我们每天使用的数千种产品(从塑料到化妆品)的基础化学品。

化学工业生产数十万种化学品，将原材料(通常是化石燃料)转化为有用的最终产品。由于其规模庞大且使用化石燃料原料，化学工业约占全球碳排放量的6%。

但由剑桥大学领导的研究人员正在开发新方法，有朝一日可以实现这一重要领域的“去化石化”。

他们开发了一种混合装置，将集光有机聚合物与细菌酶结合起来，将阳光、水和二氧化碳转化为甲酸盐，甲酸盐是一种可以推动进一步化学转化的燃料。

他们的“半人造叶子”模仿了光合作用：植物利用光能将阳光转化为能量的过程，并且不需要任何外部电源。与早期通常依赖有毒或不稳定光吸收剂的原型不同，这种新的生物混合设计避免了使用有毒半导体，使用寿命更长，并且无需添加任何先前影响效率的化学物质即可运行。

在试验中，研究人员利用阳光将二氧化碳转化为甲酸盐，然后直接用于“多米诺骨牌”化学反应，以高产量和纯度生产出一种重要的药物化合物。

他们的研究结果发表在《焦耳》杂志上，标志着有机半导体首次被用作这种生物混合设备的集光组件，为可持续人造叶子的新系列打开了大门。

化学工业是世界经济的核心，生产的产品包括药品、化肥、塑料、油漆、电子产品、清洁产品和化妆品。

“如果我们要建立一个循环的、可持续的经济，化学工业是一个我们必须解决的庞大而复杂的问题，”领导这项研究的剑桥大学尤瑟夫·哈米德化学系的埃尔温·赖斯纳教授说道。“我们必须想办法消除这个重要行业的化石燃料，它生产着我们都需要的许多重要产品。如果我们能做好，这将是一个巨大的机遇。”

赖斯纳的研究小组专门研发人造树叶，这种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物质。但他们早期的许多设计都依赖于合成催化剂或无机半导体，而这些材料要么会迅速降解，浪费大量太阳光谱，要么含有铅等有毒元素。

“如果我们能够去除有毒成分，并开始使用有机元素，我们最终会得到一个干净的化学反应和一个单一的最终产品，而不会产生任何不必要的副反应，”共同第一作者 Celine Yeung 博士说道，她在 Reisner 实验室完成了这项研究，这是她博士研究工作的一部分。“这种装置结合了两者的优点——有机半导体可调且无毒，而生物催化剂具有高度选择性和效率。”

新装置将有机半导体与硫酸盐还原细菌的酶结合在一起，将水分解成氢和氧，或将二氧化碳转化为甲酸盐。

研究人员还解决了一个长期存在的挑战：大多数系统需要化学添加剂(称为缓冲液)来维持酶的运行。这些添加剂会迅速分解并影响稳定性。通过将辅助酶——碳酸酐酶——嵌入多孔二氧化钛结构中，研究人员使该系统能够在简单的碳酸氢盐溶液(类似于苏打水)中工作，而无需添加不可持续的添加剂。

“这就像一个大谜题，”本文共同第一作者、Reisner 实验室博士后研究员刘永鹏博士说道。“我们一直在尝试将所有这些不同的组件整合在一起，以实现一个共同的目标。我们花了很长时间才弄清楚这种特定的酶是如何固定在电极上的，但现在我们开始看到这些努力的成果了。”

“通过深入研究酶的作用机制，我们能够精确设计构成我们三明治式装置不同层的材料，”杨说。“这种设计使得各个部件能够更有效地协同工作，从微小的纳米级到完整的人造叶子。”

测试表明，这片人造叶子能够产生高电流，并在引导电子进入燃料制造反应方面达到了近乎完美的效率。该装置成功运行了超过24小时，比之前的设计运行时间长了一倍多。

研究人员希望进一步开发他们的设计，以延长该设备的使用寿命并对其进行改造，使其能够生产不同类型的化学产品。

“我们已经证明，制造出高效耐用、不含有毒或不可持续成分的太阳能设备是可能的，”赖斯纳说道。“这可能成为未来生产绿色燃料和化学品的基础平台。这是一个进行激动人心且重要的化学研究的真正机会。”