耶魯大學的研究人員建造了一個以太陽能為動力的裝置，能將二氧化碳和水轉化為甲醇，這標誌著人工光合作用技術的一個重大進展。該系統不需要外部電力，而是完全依賴陽光來驅動化學反應。研究人員表示，這一裝置將陽光轉化為甲醇的效率遠高於早期旨在生產基於酒精的燃料的人工葉系統。這項突破有望加強未來捕獲大氣中二氧化碳的努力，同時為交通和工業生產更清潔的液體燃料。
該項目源自耶魯大學領導的合作，涉及北卡羅來納大學教堂山分校、北卡羅來納州立大學和賓夕法尼亞大學的研究人員。該研究也支持了聯邦資助的太陽能轉化為液體燃料的混合方法中心（CHASE）的更廣泛目標。耶魯化學教授王海亮表示，團隊直接從自然界中獲取靈感。「這看起來很有前景，概念與自然界的運作相當相似。」王教授表示，研究人員在看到裝置的首次成功結果後感到激動。與傳統的太陽能系統不同，該新型人工葉直接產生液體燃料。
這一技術的附加優勢在於，液體燃料可以長時間儲存能量並通過現有基礎設施運輸。
耶魯大學的太陽能裝置顯著提高甲醇生產效率
甲醇已經是重要的工業化學品，企業同樣將其用作航運和能源應用中的替代燃料。該裝置結合了王教授實驗室多年開發的兩項技術。第一項創新集中於一種在 2019 年首次引入的專用催化劑。該催化劑通過一個複雜的六電子反應，將二氧化碳和水轉化為甲醇。早期的分子催化劑系統一般僅處理兩電子反應，限制了其僅能產生如一氧化碳等較簡單的產品。研究人員通過將鈷酞菁分子附著在碳納米管上來改良催化劑，這些碳納米管能快速將電子傳輸至活性反應位點。
王教授將這些碳納米管比作電子高速公路，持續為催化劑提供能量。
第二個突破涉及由博士研究生尚博開發的重新設計的光電極。該結構利用了塗有富勒烯碳材料的微型硅柱。這種幾何結構改善了電荷分離和電子轉移效率，並增加了催化反應可發生的表面面積。這兩個系統的結合創造了研究人員所描述的迄今為止最有效的基於硅的光電催化甲醇轉化裝置之一。
尚博花了五年的時間通過 CHASE 研究計劃幫助開發這一獨立系統。「當我開始時，讓這樣的裝置獨立運行似乎不太可能。」尚博表示，他説目睹系統從陽光、水和二氧化碳中生成可用燃料的過程，對整個團隊來説都是一種回報。研究人員仍在不斷完善人工葉的設計，以提高效率和耐用性。王教授表示，當前的結果為未來更大規模的系統奠定了堅實的基礎。這項技術最終可能支持工業碳回收工作，同時創造排放更低的可再生液體燃料。
科學家們在商業化部署之前仍面臨重大挑戰。然而，耶魯大學主導的系統展示了工程光合作用如何超越實驗室實驗，進一步演變為可擴展的能源技術。