新型人造樹葉可提升光合作用效能及儲存太陽能

光合作用是綠色植物利用太陽的光能，把二氧化碳和水制造合成為有機物質并釋放氧氣的過程，其產生的有機物主要是碳水化合物。植物的光合作用，在制造無機碳化物的同時，也把太陽能轉變為化學能，儲存在所形成的有機化合物中。有機物中所存儲的化學能，除了供植物本身和全部異養生物之用外，更重要的是可供人類營養和活動的能量來源。可以說，綠色植物是一個巨型的能量轉換站，光合作用提供了我們主要能源，沒有光合作用就沒有人類的生存和發展。

人造樹葉設計、反應體系構建及能源轉化機制。（課題組供圖）

在長期研究植物光合作用的基礎上，浙江農林大學化材學院生物質能源材料研究團隊的李華豐、教授白麗群和河南大學教授馬鵬濤，設計了一種雙功能人造樹葉并構建了光轉化全反應體系。該新型人造樹葉，可以通過充分發揮纖維素定向電子傳遞作用與多金屬氧酸鹽電子儲存的功能，在光照的條件下，可以實現了電荷快速分離、電荷儲存與生物質能源高效轉化。

日前，李華豐及團隊的相關研究成果“雙功能多酸基人造樹葉通過定向電子傳遞促進光合作用全反應”刊發在學術期刊《化學工程期刊》上。

據介紹，人造樹葉能源轉化技術是近年來一種新型的能源生產儲存技術，該技術的發展對于更好地利用清潔可再生的太陽能，助推綠色能源發展具有重要意義，可有效賦能“既要綠水青山，也要金山銀山”的發展戰略方向。此前，各國研發的各種人造樹葉，僅能在光敏劑和犧牲劑共同參與下發生氧化或還原半反應，反應速率緩慢且反應體系復雜，阻礙了人造樹葉的應用。

李華豐及團隊成員研發的新型雙功能人造樹葉，與已報道的人造樹葉相比，具有一系列新的優勢：實現了氣液、液液、氣氣多相結合催化反應體系的構建；獨立的氧化和還原反應體系，增加反應接觸頻率提高了轉化效率，其反應速率是混合體系2.7倍，并牽制了電子進行定向移動，電荷分離效率提高2.8倍；使用壽命也得到了延長，相當于毛泡桐樹葉壽命的1.8倍，并且在極端環境條件下仍能進行光合作用，其“工作”溫度在-20℃?120℃之間。

“生活中樹葉只能在光照射下進行光合作用。我們研發的人造樹葉，不僅在光照下能夠進行光合作用，還可以把多余的太陽能儲存，在黑暗條件下釋放能量繼續進行光合作用。”李華豐介紹說，將太陽能轉化為可儲存的二次能源，是可持續能源技術的核心概念，此前的能源儲存主要集中在化學品的轉化，而將太陽能儲存在人造樹葉中，實現按需轉化的相關報道極少。

李華豐表示，由于太陽輻照強度的不可預測性以及晝夜周期性變化和能源需求之間的不匹配，將太陽能收集與光合作用的演變分離是先進的“人造樹葉”設計的關鍵。他們的研究成果，實現了“按需”進行光合作用，可以更好地應對當前能源儲存方面的挑戰。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153637