人工光合作用

人工光合作用（artificial photoynthesis），从字面上讲，光合作用是人工技术实现。从广义上讲，光合作用的太阳能电池可以包括自然界中的光合作用、水、 二氧化碳和太阳光等光能，这些光能来自作为碳水化合物的化学能，但要进行合成等。尽管不可能完全模仿自然界中的光合作用，但已经部分建立了技术。

通过替代能源与化石燃料和固定二氧化碳，它预计将减少二氧化碳排放量，这被认为是事业的全球变暖。常规的太阳能电池存在电力存储的问题，但是人工光合作用通过产生化学能来促进能量存储。在天然植物中，多少太阳能可以转化为氢能的“能量转化效率”为0.3％，但是由于成本问题，至少要进行10％的能量转化才能商业化。

光合作用大致可分为将光能转换成化学能的光化学反应（光反应）和从化学能合成糖的卡尔文循环（暗反应）。在收集太阳光的“光收集系统”中已经研究了人工利用氯脂质体（Clorosome）。在“反应中心”，正在进行使用掺有氧化还原因子的合成肽的研究，以及使用二氢锌锌或游离碱卟啉代替细菌叶绿素的研究。发现通过使用Acr ⁺ -Mes作为光催化剂并使用铂簇，NADH可以用作电子源以有效地产生氢。认为氢以甲酸的形式储存在 CO ₂固定催化剂上。如有必要，可以用甲酸分解催化剂除去氢。为了固定二氧化碳，可以考虑使用合理的基因工程固定CO ₂固定酶RuBisCO。

当镧以约1％掺杂并且表面上涂覆有氧化镍的钽酸钠暴露于波长为300nm或更小的紫外光时，水分解以产生氧气和氢气。该反应超过了50％的量子产率，并在2005年日本国际博览会上展出，但由于只能使用紫外线，因此尚未投入实际使用。

掺铑钛酸锶是可见光，它是一种光催化剂，通过照射类似可见光可产生还原的氢水，氧气与水结合可生成钒酸铋。已成功分解。由于电子的流动，该反应称为“ Z方案”，但量子产率约为3％，太阳能的转化效率约为0.1％。

尽管它不是纯水的分解，已发现的是，当产生氢含水溶液一个硫基于还原剂与使用可见光照射的金属硫化物作为催化剂。

太阳能电池的研究始于19世纪，法国物理学家1839年的亚历山大·埃德蒙·贝克勒尔是光伏效应的发现者。1884年，美国科学家查尔斯·弗里茨（Charles Fritts）生产了世界上xxx个太阳能电池。在另一方面，对光合作用的研究始于1910年左右，与理论的电子转移反应被宣布鲁道夫·马库斯在 1956年。在1972年大学的健一本田和藤岛昭，所述钛氧化物通过使用电极，紫外线照射的水氢气和氧气，以分解本田-藤岛效应宣布。从1974年到2000年，日本的新能源研究项目“ 阳光项目”和“新阳光项目”得以实施。2011年，根岸荣一（Eiichi Negishi）与教育、文化、体育、科学和技术部并同意推进人工光合作用等技术创新的实施。

通过人工光合作用生产太阳能的好处包括：

• 太阳能被直接转换和存储。在光伏电池中，阳光被转化为电能，然后又转化为科学能量进行存储，其中一些必要的能量损失与二次转化有关。
• 这些反应的副产物对环境无害。人工合成的燃料将成为运输和家庭使用的碳中和能源。

缺点包括：

• 用于人工光合作用的材料通常会在水中腐蚀，因此随着时间的推移，它们的稳定性可能会低于光伏。许多在其存在下呈惰性或贫化的氢催化剂对氧气非常敏感；随着时间的流逝，光损伤也会发生。
• 成本尚不足以与化石燃料竞争以商业化生产能源。

催化剂方案中要解决的重要一件事是效率，特别是系统中实际上可以利用多少光照射。这是因为可以测量将光转换为化学能，因此可以比较光合作用效率（Photosynthetic Efficiency）。光合组织可以收集大约50％的太阳辐射投射，但是，C ₃和C ₄植物的转化能力的理论极限分别为4.6％和6.0％。在实践中，光合作用的效率非常低，通常低于1％，除非在某些情况下，例如热带气候中的甘蔗。相比之下，人工光合作用实验室原型报告的xxx效率为22.4％。然而，在人造催化剂尚不可行的某些方式下，植物可以有效利用大气中的CO ₂。