摘 要：“人工光合作用”是日本各大企业与研究机构通力合作，组建项目组开展研发的一项技术。它是指利用太阳能分解水生产氢气（H2），再将其与二氧化碳（CO2）合成，以生产化工产品原料等有机化合物。这项技术可以说是实现碳中和社会的一项“梦想技术”，特别是对于二氧化碳排放量较大的化工产业而言，对于这项技术的应用可以说是翘首以盼。那么，如果这项技术能够实现应用，会有什么样的效果？还存在什么样的问题？目前开展了哪些相关研发工作？本文将对人工光合作用进行简单易懂的解说。
人工光合作用，即通过光催化剂，利用太阳能分解水（H2O），高效产生氢气（H2）和氧气（O2）的技术。
不仅如此，这种技术还能将生成的氢气与工厂排放的二氧化碳（CO2）通过合成催化剂进行合成，从而生产有机化合物（烯烃），作为塑料等化学制品的原料（图1）。
图1. 通过人工光合作用生产有机化合物（烯烃）的工艺
顾名思义，人工光合作用的灵感来自于植物的“光合作用”。植物光合作用的工作原理是植物利用太阳能，通过二氧化碳和水生产有机物（淀粉）和氧气；人工光合作用则是以二氧化碳和水为原料，利用太阳能合成化学品。
光合作用和人工光合作用的相同之处在于二者都产生有机物，但有机物的具体类型不同，用途也有很大不同（图2）。
图2. 植物光合作用和人工光合作用的比较
在人工光合作用中，上述一系列操作是在工厂中进行的，需要在大面积的土地上建设两类工厂，分别用于利用太阳能生产氢气，以及将氢气和二氧化碳合成以生产烯烃（图3）。
图3. 人工光合作用投入应用的工厂示意图
为在2030年之前实现人工光合作用的应用，日本的企业和研究机构成立了项目小组，并集中精力进行研发。●人工光合作用的三个优点
减少二氧化碳
就像植物光合作用一样，人工光合作用在产生有机化合物的过程中，也会吸收二氧化碳，因此，使用人工光合作用必然会降低二氧化碳排放。
对人工光合作用最为期待的就是化工产业。日本的化工产业是一个庞大的产业，其销售额约为44万亿日元（约合人民币2.2万亿元），从业人员约达88万人。但同时，其二氧化碳排放量占整个工业部门的约22%，位居第二，仅次于钢铁行业。
解决能源问题
化工产品，诸如石油产品之一的石脑油，其制造会消耗大量化石资源。而化石资源（就日本而言，该资源依赖进口）伴随着油价上涨、资源枯竭风险的担忧。
然而，如果人工光合作用能够实现应用，用这项技术生产的烯烃就能用作塑料等化学产品的原料，就无需再担心油价上涨和资源枯竭的风险。
此外，如果能利用这项技术生产甲醇等液体燃料，就能够将其应用于汽车，而无需再从化石资源中提取汽油等。
解决粮食问题
如果能通过人工光合作用生产可食用蛋白质，就能构建食物的自动生产机制，有望解决人口增长所带来的粮食问题。根据德国科研人员发表的论文，利用太阳光的能量培养微生物，其合成食物的效率比大豆等作物高十倍以上。
人工光合作用具有明显的优势，但目前尚未投入实际使用，其应用还存在一些重大难题。●人工光合作用的两大问题
光催化技术是人工光合作用的关键，已经具有很长的历史。近年来，出于实现碳中和社会的需要，它又重新成为关注的焦点。
当光催化剂受到阳光（主要是紫外线）照射，就会释放电子，释放后便会产生空穴（正孔）。空穴会氧化水，产生氧气，而释放的电子会还原水，产生氢气（图4）。
图4. 通过光催化制氢的原理
光催化剂产生的氢气或氧气与其所接受的太阳光的比例被称为“太阳能转化效率”（转化效率）。要实现实用，转化效率至少要达到10%。
在实现高转化换效率的同时，还需要解决低成本量产的问题，而这绝非可以轻易解决。只有当技术开发能够同时满足“高转化效率”和“低成本量产”时，实用才有可能成为现实。
不过，为了实现人工光合作用的实用，相关研发工作不断开展，这些问题的解决已经取得了重大进展。本文将在后面对此进行解说。●什么是人工光合作用项目“ARPChem”？
“人工光合作用项目”是日本为实现人工光合作用的应用，举国之力开展的项目。
2012年，日本以经济产业省为主体成立了“人工光合作用化学工艺技术研究会（ARPChem）”，从2014年起，新能源产业技术综合开发机构（NEDO）接管了其运营和管理。
ARPChem旨在建立一套工艺，利用太阳光和光催化剂生产氢气，进一步将其与二氧化碳合成，以生产化学产品原材料。许多企业、大学和研究机构都参与了ARPChem的研究。
【公司】
三菱化学、富士胶片、INPEX、三井化学、TOTO
【大学、研究机构和组织】
日本精细陶瓷中心、东京大学、京都大学、东京理科大学、产业技术综合研究所（产综研）、信州大学、明治大学、名古屋工业大学、山口大学、东京工业大学、早稻田大学
该项目始于2014年，以光催化为中心，展开了人工光合作用相关的一系列工艺的研发工作。成员企业和研究机构集思广益，以各自的技术优势推进开发工作，到2021年度的8年里，项目取得了一些研究成果，其中包括全球首例成功进行人工光合作用的大规模示范实验。●人工光合作用项目“ARPChem”第二阶段
ARPChem的人工光合作用项目已取得诸多成果。然而，要实现应用，仍有一些问题亟待解决。因此，2021年度启动了新的人工光合作用项目。
作为绿色创新基金项目“利用二氧化碳等资源生产塑料原料的技术开发”的一部分，NEDO启动了新的人工光合作用项目。
日本知名公司和研究机构等新鲜血液也加入了ARPChem。可以说，这是一支具有人工光合作用所需技术优势的“梦之队”，对于该项目的重视程度可见一斑。
【公司】
INPEX、JX金属、大日本印刷（DNP）、迪睿合、东丽、丰田汽车、日本制铁、古屋金属、三井化学、三菱化学
【大学和研究机构】
京都大学、产综研、信州大学、东京大学、东京理科大学、东北大学、名古屋大学、山口大学
该项目旨在开发活性更高的光催化剂和光催化片材，以及包含氢气和氧气分离模块的氢气回收系统，并将在一公顷级的户外测试设备上验证其可行性。NEDO的补贴额度约为169亿日元（8.4亿人民币）。
在ARPChem内部，由三菱化学牵头。三菱化学在催化剂开发技术方面一直具有优势，可以期待，该公司将延续之前的项目，负责光催化剂等的开发，并在本次项目中发挥核心作用。
丰田汽车本次是新加入项目，但早已独立进行过人工光合作用的系统开发。丰田集团的丰田中央研究所在2021年实现了世界上最高的太阳能转换效率，于一米见方的太阳能电池上达成了10.5%的转化效率。丰田的技术能力新加入到本项目中具有重大意义。
大日本印刷股份公司（DNP）在与印刷工艺有关的技术方面具有优势。光催化片材的制造工艺当中，使用印刷机将光催化剂涂覆于基板上的方式非常适合量产和大面积生产。DNP的参与将有助于降低制造工艺成本。●人工光合作用的研发
下面将对ARPChem在第一阶段取得的研发成果进行说明，主要是上述“高转化效率“和”低成本量产”两大问题的解决进展。
能源转化效率
在开发刚开始时，光催化剂的转化效率仅为0.2-0.3%，这一数值与植物光合作用处于同一水平。随着研究的不断进行，转化效率也得到了逐步提升。
2017年，项目组开发了一种用不同的光催化剂分别生产氢气和氧气的方法，即“串联电池光催化”法。通过采用该方法，转化效率提升到3.7%。
2019年，项目组开发了一种具备易透光性的光催化剂“氮化钽”，通过采用该催化剂，转化效率提升至5.5%。2021年，转化效率又进一步提升至7.0%。
目前，项目组以10%为目标，正在开发新的光催化剂，该催化剂不仅可以利用紫外线，还能利用可见光。
同时，丰田汽车集团的丰田中央研究所通过其自行开展的研究，将转化效率提升至10.5%，突破了10%的目标。尽管在提升耐久性和降低成本方面仍然存在问题，但随着各企业加入ARPChem第二阶段，接下来的研究能够集各家之长，加快问题的解决速度。
低成本量产
在研发提升光催化剂转化效率的技术的同时，项目组还在同步开发具有良好制造工艺、便于大型化和降低成本的光催化技术。
本次，项目组开发了全球首创的“混合粉末型光催化剂片材”。该方法可以通过丝网印刷，使用印刷机将粉末状的光催化剂和导电材料涂覆在基板上来制造催化剂片材。
该光催化片材的转化效率约为1.1%（截至2018年），但它能够以低成本实现量产和大型化，易于实现应用，因此有望成为主流的光催化技术。
世界首次大规模示范实验
光催化剂的规模越大，提升转化效率就越困难。且在有效分离和回收产生的氢气的同时，还要确保安全，避免出现爆炸风险。
为此，项目组在2019年8月进行了大规模示范实验，以实现应用。用25厘米见方的光催化片材组成三平方米的光催化板，将催化板以100平方米规模连接在一起，同时还安装了分离和回收所产氢气的装置。
经过一年多的室外实验，证实了该系统的转换效率虽然最高只能达到约0.76%，但能够持续不断地产生氢气和氧气的混合气体。
据NEDO称，未来几年将开发新的光催化剂，实现5-10%的转化效率。
此外，通过采用分离膜，能够从生成的混合气体中以约73%的回收率回收氢气。本次使用的分离膜是市售产品，目前项目组正在开发一款新的分离膜，通过采用该膜能够进一步提高回收率。
同时，示范试验还证实混合气体的安全性没有问题。在实验过程中没有发生任何自燃或爆炸，在不同地点故意点燃设备也未造成损害或破坏。
这项示范试验证实，在100平方米的规模上利用太阳光进行水分离是可行的，且能够安全、长期地从产生的混合气体中分离和回收氢气。这是全球范围首次进行如此大规模的示范实验，是向人工光合作用实现应用迈出的重要一步。●总结：何时能投入使用？
在ARPChem第二阶段，还有很多其他成员企业和研究机构像上述丰田汽车和DNP那样，拥有各种与光催化技术有关的知识和技术，且在独自开展人工光合作用的研发。
该项目将于2030年截止。届时，希望产业界和学术界的集体智慧能够产生新的成果，并建立起实现应用所需要的技术。
人工光合作用是少数可以直接利用太阳光的技术之一。到这项技术实现社会化应用的那一天，不仅是化工产业，整个工业都将在解决环境问题方面向前迈进一大步。
根据三菱化学的专题网站，实现应用的目标年份是2040年。2040年将对该技术进行社会化应用，各地也将铺设人工光合作用的太阳能板。
今后，人工光合作用项目的动向值得进一步关注。
翻译：王京徽
审校：李 涵
统稿：李淑珊
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