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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。
关键字：人工光合作用、二氧化碳资源化、ARPChem项目、光催化剂、能源转化、碳中和社会
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。
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。
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