模仿植物的人工光合作用 日本太陽能利用再升級

模仿植物的人工光合作用 日本太陽能利用再升級

2021年07月29日

文：宋瑞文（加州能源特約撰述）

日本豐田汽車集團旗下的豐田中央研究所，今（2021）年曾宣布在「人工光合作用」技術上有新突破，進一步提升能源轉換率。「達成世界最高效率的人工光合作用！豐田做成實用規格的太陽電池。」

所謂人工光合作用，指的是利用太陽能製造化合物的技術。日本政府早早決定投入研究，並在近年逐漸接近實用化水準。

根據光化學協會出版的書籍，人工光合作用被稱為夢幻的新能源。圖片來源：kodansha

為何日本會積極發展人工光合作用技術呢？據經濟產業省說明，日本為了遵循處理氣候變遷問題的巴黎協定，以及在暖化對策與經濟成長之間達成雙贏，定下在2050年之前達成減少80%溫室氣體的目標。

植物與人工的光合作用，植物能生成葡萄糖等，人工能生成塑膠原料。圖片來源：經產省

人工光合作用如何減碳？

日本各行各業裡，排碳最多的產業是消耗熱能的鋼鐵業，第二是生產塑膠的化工產業，兩者都要消耗化石燃料。人工光合作用能夠製造氫燃料（使用氫燃料的鋼鐵業可以大幅減碳）與化工原料（烯烴）。這兩大碳排產業所需，未來都可能由人工光合作用支應。因此人工光合作用是一項可望擺脫化石燃料，實現零碳社會的科技。

要認識人工光合作用的概念，可以從每個人都知道的光合作用切入。光合作用，指的是植物利用太陽能，從二氧化碳和水裡生成氧氣。而模仿植物光合作用的人工光合作用，則是把二氧化碳和水當原料，再利用太陽能轉換成不同的化學物質。

三個技術領域：光觸媒、分離膜、合成觸媒

進階地說，人工光合作用成敗的關鍵，是日本特別研發的「觸媒技術」。在這裡以能夠合成出烯烴（塑膠原料）的案例來說明。要進行人工光合作用，須使用被稱為「光觸媒」的物質，它能在經過光的照射之後，產生特定的化學反應，生成新的化合物。

而這裡的「光觸媒」，在被太陽光照射之後，可以分解水，產生氫氣與氧氣。接著，再透過「分離膜」，單獨把氫氣分離出來。最後，取出的氫氣，和工廠排出的二氧化碳，經過「合成觸媒」產生化學反應，製造出烯烴（塑膠原料）。

生產烯烴的人工光合作用太陽能板與其他製程，其中包括「光觸媒」、「分離膜」、「合成觸媒」。圖片來源：經產省

因此，要實現人工光合作用，就要在「光觸媒」、「分離膜」、「合成觸媒」三個領域研究開發。為此日本經濟產業省自2012年開始投入資源，支持相關產學研究。其中要點在於，如何提高「太陽能轉換效率」，讓人工光合作用的工序做到低成本高效率，成為足以大量生產的技術。

那麼，轉換效率要到多少，才有大量生產的可行性呢？一般植物的「太陽能轉換效率」約在0.2～0.3%，而要實現人工光合作用，得遠遠大於這個程度。2016年，日本做到植物的10倍，也就是3%（生產氫）的轉換效率，2017年又進步到3.7%。以及2021年豐田達成的7.2%。最終目標則為10%。從2012年日本政府有計畫地投入，到最新技術進展，人工光合作用研發逐步邁向目標，接近夢幻的能源未來。