美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（簡稱「柏克萊實驗室」）的研究人員與國際合作夥伴攜手，使我們距離利用太陽能將二氧化碳轉化為液體燃料和其他有價值的化學物質又近了一步。

在最近發表於《自然·催化》雜誌的一篇論文中，研究人員首次展示了一種獨立的碳-碳(C2) 生產系統，該系統將銅的催化能力與用於光伏太陽能板的材料鈣鈦礦相結合。這項進展建立在20 多年的研究基礎之上，使科學界距離在自然界中複製綠葉的生產力又更近了一步。 

這項工作是「液態陽光聯盟」（ LiSA  ）計畫的一部分。 LiSA是由美國能源部資助的太陽能燃料創新中心。 LiSA由加州理工學院牽頭，並與柏克萊實驗室密切合作，匯集了來自SLAC和美國國家再生能源實驗室等國家級實驗室合作夥伴，以及加州大學歐文分校、加州大學聖地牙哥分校和俄勒岡大學等高校合作夥伴的100多位科學家。參與這項多機構合作的研究人員在加深我們對利用陽光、二氧化碳和水來產生液體燃料的理解以及開發所需工具方面取得了進展。

由多機構合作開發的鈣鈦礦和銅基裝置的特寫，該裝置旨在開發將陽光轉化為液體燃料所需的工具。 (圖片來源：瑪麗蓮·薩金特/伯克利實驗室)

人造樹的藝術描繪，樹上銅奈米花與鈣鈦礦晶體連結。 （圖片來源：Virgil Andrei）

「大自然是我們的靈感來源，」參與這項研究的柏克萊實驗室材料科學部高級研究員、加州大學柏克萊分校化學與材料科學與工程教授楊培東說。 “我們必須先研究各個組成部分，但當我們把所有東西整合在一起，並意識到它成功了時，那是一個非常激動人心的時刻。” 

為了建構一個模擬光合作用的系統，楊教授和他的團隊遵循了植物葉片中發生的自然過程。葉片光合作用元件的每一個組成部分都必須被複製和改進。科學家利用數十年的研究成果，使用鹵化鉛鈣鈦礦光吸收劑來模擬葉片中吸收光的葉綠素。同時，他們受到自然界中調節光合作用的酵素的啟發，設計了由銅製成的、形狀像小花的電催化劑。

先前的實驗已經透過使用生物材料成功複製了光合作用，但這項研究引入了一種無機材料——銅。雖然銅的選擇性低於生物替代品，但銅的加入為人造葉片系統設計提供了更耐用、更穩定、更持久的選擇。

LiSA 計畫研究人員領導的研究工作開發了新設備的陰極和陽極組件。伯克利實驗室分子鑄造廠的儀器使楊的團隊能夠將該設備與金屬觸點整合。在楊的實驗室實驗中，他們使用模擬持續明亮太陽的太陽模擬器來測試新設備的選擇性。 

先前，各研究團隊的創新成果使得有機氧化反應能夠在光陽極室中進行，並在光陰極室中生成碳二氧化(C2) 產物。這項突破性進展在一個郵票大小的裝置中創造了一種逼真的人造葉子結構——它僅利用陽光就能將二氧化碳轉化為碳二氧化(C2) 分子。 

該裝置生產的C2化學品是許多行業的前驅成分，這些行業生產我們日常生活中有價值的產品——從塑膠聚合物到飛機等尚無法使用電池驅動的大型交通工具的燃料。基於這項基礎研究里程碑，楊教授目前的目標是提高系統的效率，並擴大人造葉子的尺寸，以開始提高此解決方案的可擴展性。 

林利用人造光激活這個郵票大小的裝置，將二氧化碳轉化為C2——一種在日常產品中很有價值的前驅化學物質。 (圖片來源：瑪麗蓮·薩金特/伯克利實驗室)

分子鑄造廠是伯克利實驗室的一個使用者設施。 這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。