这种突破性的人工光合作用系统由四个基本成分组成：（1）收集太阳能、（2）产生还原当量、（3）光合成中间体还原CO2、（4）产生具有附加价值的化工产品。

由太阳能驱动的系统人工光合作用获得了突破性的进展，在CO2排放到大气中之前可将其捕获，将CO2转化成有用的化工产品，包括生物降解塑料、药物甚至液体燃料。

美国能源部（DOE）劳伦斯·伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和加利福尼亚大学（UC）伯克利分校的科学家发明了一种半导体纳米线和细菌的混合系统，可模仿植物利用太阳光能量将CO2和水合成碳水化合物的自然光合作用过程。然而，这种新型人工光合系统将CO2和水转化成生物合成中最常见的醋酸乙烯。

“我们相信这个系统在人工光合作用领域是革命性的进展。”该项目负责人之一、Berkeley Lab材料科学部化学家Peidong Yang（杨培东）说，“该系统以一种完全可再生的方式生产化学品和燃料，而不是从地底深处挖掘，有望从根本上改变化工和石油产业。”

Yang同时就职于UC Berkeley和伯克利Kavli能源纳米科学研究所（Kavli-ENSI），是该发表于《纳米快报》（Nano Lett）期刊上论文的三个共同通讯作者之一。该论文的题目为“Nanowire-bacteria hybrids for unassisted solar carbon dioxide fixation to value-added chemicals”。其他通讯作者和该研究的领导人员是化学家Christopher Chang和Michelle Chang。两者均任职于Berkeley Lab和UC Berkeley。此外，Chris Chang还是霍华德休斯医学院（Howard Hughes Medical Institute，HHMI）的一名研究员。

释放到大气中的CO2越多，环境气温将越高。目前大气中的CO2是至少三百万年来的最高水平，主要是由于化石燃料的燃烧引起的。然而，在可预见的未来，化石燃料，特别是煤炭，仍然会是人类主要的能量来源。正在加大力度研究在CO2进入大气之前将其封存的技术，但是将捕获的CO2存储下来需要克服环境的挑战。

由Berkeley研究人员开发的这项人工光合作用技术解决了将捕获的CO2重新利用的存储问题。

“自然光合作用中，叶子吸收太阳光，CO2被还原，并与水结合形成生物质形式的分子产品。”碳中性能源转化催化剂专家Chris Chang说，“在这个系统中，纳米线吸收太阳能，并传递电子到细菌，使得细菌上的CO2被还原并与水结合生成各种有针对性的、具有附加值的化工产品。”

通过组合具有生物相容性的光俘获纳米线阵列和细菌种群，改变游戏规则，新的人工光合作用系统提供了对环境双赢的局面：利用隔绝二氧化碳的太阳能绿色化学。

“该系统代表着材料科学和生物学之间的一个新领域，结合和匹配相关学科有可能产生新型的功能器件。”生物合成专家Michelle Chang说，“举个例子来说，纳米线阵列的形貌保护了像是埋藏在草丛中的复活节彩蛋的细菌，使得这些通常氧敏感的生物可以在烟气等CO2污染的环境中存活下来。”

该体系开始于由Yang及其研究小组开发的含有二氧化硅和二氧化钛纳米线异质结构的“人工森林”。

“人工森林类似于绿色植物中的叶绿体。”Yang说，“吸收太阳光，在二氧化硅和二氧化钛纳米线上产生光生电子空穴对，二者吸收太阳光谱中不同区域的光。二氧化硅上的光生电子将转移到细菌上，还原CO2。与此同时，二氧化钛上的光生空穴将水分子裂解成氧气。”

一旦纳米线阵列森林建立起来，它将成为产生选择性催化还原CO2酶的微生物种群的聚集地。本研究中，伯克利研究团队使用可从周围环境直接接受电子的厌氧菌Sporomusa ovata来还原CO2。

“S. ovate是一种将CO2还原成醋酸乙烯的有效催化剂，醋酸乙烯是一种广泛应用于各种化学品生产的中间体。”Michelle Chang说，“使用微量维生素缓冲半咸水作为唯一的有机成分，能够将S. ovata均匀的填充到纳米线中。”

首先，CO2被S. ovate还原成醋酸乙烯（或其他生物合成中间体），然后使用大肠杆菌（E. coli）将其合成为想要的化工产品。为了提高化工产品的产量，本研究中S. ovate和E. coli独立进行。未来，这两种作用（催化、合成）有可能合并成一个步骤。

人工光合作用系统成功的关键在于光俘获效率与纳米线/细菌杂化技术产生的催化活性相分离。采用这种方法，在模拟太阳光照射下约200小时，获得了与一片树叶大致相当的太阳能转化效率（0.38%）。

由醋酸乙烯产生的目标化工产品的量也被测定：26%丁醇（与汽油相当的燃料）、25%的青蒿素前体紫穗槐二烯（抗疟疾药物青蒿素的前体）、52%的可再生生物降解塑料PHB。随着技术进一步改进，性能有望进一步获得提升。

“目前，我们正在进行具有3%太阳能-化学转化效率的第二代系统的研究。”Yang说，“当以一种经济上划算的方式能够使转化效率达到10%，该技术将有望实现商业化。”

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮