技术创新 | 剑桥突破：人造树叶首次实现太阳能直产化工原料

雷斯纳教授团队长期专注于“人造树叶”技术，旨在利用阳光直接生产燃料与化学品，摆脱对化石原料的依赖。但传统方案往往面临两难：使用合成催化剂可能涉及有毒金属且效率有限；而依赖无机半导体的人工叶片又存在稳定性差、光吸收范围窄的问题。

该团队的突破在于，他们首次将自然界的智慧——酶，与新兴的有机半导体技术结合在了一起，成功绕开了这些困境。

这片人工叶子的核心是一个精巧的“三明治”结构：核心吸光层由有机半导体材料构成。与传统硅或铅基材料不同，它无毒，且能通过分子设计更高效地利用太阳光谱。中间层是一个多孔二氧化钛骨架，如同微型“蜂巢”，为酶催化剂提供了理想的安身之所。

关键催化剂是两种高效的生物酶：一种将水转化为氢气，另一种则能将二氧化碳精准地还原为甲酸盐。这些酶是自然演化的杰作，能在温和条件下实现高效、专一的反应。

研究团队还引入了一个巧妙设计——碳酸酐酶。它的存在使系统可以在像苏打水一样简单无害的碳酸氢钠溶液中稳定运行，巧妙地维持了局部酸碱平衡，从而摆脱了对昂贵且易干扰反应的化学添加剂的依赖。

（1）它产生了高达1伏的起始电压。

（2）将电子高效用于目标产物合成：

（3）制氢的电子利用率高达99%；产甲酸的电子利用率也达到87%以上。

在连续运行超过24小时的测试中，设备保持了良好的稳定性，寿命比早期设计显著提升。

但研究人员并未止步于此。他们进一步展示了如何将这种太阳能驱动的化学合成与高附加值产品制造相结合。在概念验证实验中，他们将人工叶子产生的甲酸溶液直接用于驱动一个不对称氢化反应，成功将苯乙酮高效地转化为制药工业中重要的手性砌块——(R)-1-苯乙醇，反应产率和对映选择性均达到了工业应用标准。