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亿万年来，地球上的生命无时不刻地吸收太阳光并将其转化存储为燃料源，这就是光合作用的过程。最近，由英国剑桥大学研究团队对这一古老的自然过程进行了全新的改进，将光合作用途径与氢化酶联系起来，找到了将水分解为氢和氧的更有效的方法，并将阳光变成了无限可再生燃料。毫无疑问，这一研究为人类暗淡的能源未来带来一丝曙光…
光合作用是指绿色植物吸收光能，将水和二氧化碳重排成富能糖类化合物，同时释放游离氧的过程。死去的植物埋藏于地下，受地热的作用，经过几千万年乃至几亿年的炭化过程，释放出水份、二氧化碳、甲烷等气体后含氧量减少最终形成煤炭——重要的化石燃料。然而，煤炭的使用带来了不可逆的二氧化碳释放问题，即温室效应，并引起国际社会的广泛关注，科学家也致力于清洁能源的创新。
而光解水产氢是一种新型清洁能源，但目前为止，大多数光解水方法都依赖于昂贵且效率并不高的催化剂，这使得规模化生产变得极具挑战性。不过就能量捕获过程而言，光合作用也并没有太高的效率。毕竟，植物每天只吸收太阳光能量的百分之几。
氢化酶是存在于藻类植物中的能够将质子还原成氢气的一种古老的酶，而这一过程并不是植物生存所必需的，因此在植物进化进程中已被废弃。不过，科研人员发明了一种光合作用的半人工版本，改进了自然界的规则，重新激活了这一因进化而长期废弃的过程，成功地将水分解为氢气和氧气。
光系统Ⅱ（photosystem Ⅱ complex,PSⅡcomplex）是类囊体膜中的一种光合作用单位，它含有两个捕光复合物和一个光反应中心。研究人员创建一个基于光系统II的电化学电池，提供了氢化酶进行工作所需的必要电压，减少了水中的氢，使氢气可以从氧气中分离出来。虽然原理很简单，但将人工系统与有机工艺相结合起来却并非易事。
研究人员表示，“这项工作克服了将生物和有机成分整合到无机材料中以组装半人工装置的许多困难挑战，这可能是开发太阳能技术的一个很好的平台。从这些反应中学习，将其他反应结合在一起，然后建立合成的、更强大的太阳能技术。”目前该技术尚属于研究初期，需要后续做更多的研究支撑。只有寻找到天然有机材料和人工干预的适当平衡点才可能扩展到工业阶段。
虽然科研人员已经取得了很大的进展，氢燃料经济在未来具有很大的发展空间，但氢存储和运输等领域还面临诸多挑战，让我们共同期待吧…
文/朱张航宇
参考文献：Bias-free photoelectrochemical water splitting with photosystem II on a dye-sensitized photoanode wired to hydrogenase，Nature Energy，2018，Published: 03 September 2018.
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