耶魯大學太陽能「人工樹葉」問世：將二氧化碳直接轉化為液態甲醇燃料

耶魯大學團隊實現人工光合作用重大突破

耶魯大學研究人員成功打造出一款以太陽能驅動的裝置，能將二氧化碳與水轉化為甲醇（methanol），標誌著人工光合作用技術邁出重要一步。

這套系統完全不需要外部電力，僅依靠陽光驅動化學反應。研究人員表示，該裝置將陽光轉化為甲醇的效率，遠高於過去設計用來生產醇類燃料的人工樹葉系統。

這項突破有望強化未來捕捉大氣中二氧化碳的能力，同時為交通運輸和工業領域生產更潔淨的液態燃料。

模仿自然界的光合作用

這項計畫由耶魯大學主導，聯合北卡羅來納大學教堂山分校（University of North Carolina-Chapel Hill）、北卡羅來納州立大學（North Carolina State University）及賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）的研究人員共同合作。該研究同時支持由聯邦政府資助的「太陽能液態燃料混合方法中心」（Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels，簡稱 CHASE）的整體目標。

耶魯大學化學教授 Hailiang Wang 表示，團隊的靈感直接來自大自然。

「這看起來很有前景，概念與大自然的運作方式相當。」Wang 說道，並補充指出，研究人員在看到裝置首次成功運作的結果後相當興奮。

不同於傳統太陽能系統僅產生電力，這款新型人工樹葉能直接生成液態燃料。這賦予該技術額外的優勢，因為液態燃料可以長時間儲存能量，並透過現有基礎設施進行運輸。

甲醇本身已是重要的工業化學品，也被廣泛應用於航運及能源領域的替代燃料。

催化核心的工程設計

該裝置結合了 Wang 實驗室歷經多年開發的兩項關鍵技術。第一項創新聚焦於 2019 年首次發表的一種專用催化劑，能透過複雜的六電子反應（six-electron reaction）將二氧化碳和水轉化為甲醇。過去的分子催化劑系統通常只能處理二電子反應，僅限於生成較簡單的產物，例如一氧化碳。

研究人員將鈷酞菁（cobalt phthalocyanine）分子附著在奈米碳管上來設計這款催化劑。奈米碳管能快速地將電子傳輸至活性反應位點。

Wang 將奈米碳管比喻為「電子高速公路」，在運作期間持續為催化劑供給電子。第二項突破則是由博士研究生 Bo Shang 開發的重新設計光電極（photoelectrode）。該結構使用表面塗覆富勒烯碳材料（fullerene carbon material）的微型矽柱（silicon pillars）。

這種幾何結構改善了電荷分離和電子傳輸效率，同時增加了可進行催化反應的表面積。

這兩套系統結合後，研究人員形容這是目前已報導的最高效矽基光電催化甲醇轉化裝置之一。

邁向太陽能燃料規模化生產

Bo Shang 透過 CHASE 研究計畫花費五年時間協助開發這套獨立運作系統。

「剛開始的時候，要讓這樣的裝置自主運行感覺不太可能。」Shang 表示，看到系統成功從陽光、水和二氧化碳中產生可用燃料，讓整個團隊都感到非常欣慰。

研究人員正持續改良人工樹葉的設計，以提升效率和耐久性。Wang 表示，目前的成果已為未來大規模系統奠定穩固基礎。

這項技術最終可能支援工業碳循環利用，同時生產排放量更低的再生液態燃料。

在商業化部署成為現實之前，科學家仍面臨重大挑戰。然而，這套由耶魯大學主導的系統已展示了工程化光合作用如何從實驗室實驗演進為可擴展的能源技術。

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