杨培东新浪科技讯 10月28日上午消息，今日2017未来科学大奖颁奖典礼暨未来论坛年会在京举办。会上，加州大学伯克利分校化学系、材料科学与工程系双聘教授，S.K。/Angela Chan 特聘讲席教授，美国科学院院士，未来科学大奖科学委员会委员杨培东发表演讲称，绿色植物的能量转换效率非常低，人工光合作用要学习大自然，但效率方面要进行提升。
杨培东表示，光化学二极管一步步将系统集成在一块，第一代转化效率仅为0.4%，和植物的类似。人工光合作用经过了三代发展，太阳能转化达到了8%-10%，原理上向大自然学习，但效率上已经提升很多。
杨培东称，通过人工光合作用可以将大气中的二氧化碳变成有用的能源。过去使用生物催化剂，存在稳定性的问题，转变为用全合成无机的催化剂，无机的过程非常稳定，从太阳能到化学能转化率达到3%-4%。
杨培东表示，人工光合作用不仅能解决地球上的二氧化碳问题，也可以解决外太空居住所需化学品、能源等问题。不仅可以做二氧化碳还原，也可以做氮气还原，氮气固定下来可以做肥料。
杨培东认为，人工光合作用经过多年发展证明是可行的，效率和稳定性会不断提升，作为下一代可再生能源进行大规模应用。（张泽宇）
以下为演讲实录：
各位来宾早上好！在我讲人工光合作用之前，我代表未来大奖的科学委员会首先说几句话，未来大奖是中国民间发起的第一个非常有影响力的，奖励大中华地区的原创性科研的一个大奖，应该说是中国科学界的一个大事。许晨阳、潘建伟的工作是原创的，也是领先世界的，这个大奖的成立应该是引领大中华地区科学自信跟文化自信的一件大事。在场还有很多学生，也体现了中国大众对科学的崇尚，希望未来大奖能够引领或者继续推动这种崇尚科学的氛围。
今天我们主要讲纳米材料的新应用场景，首先讲一下纳米材料在能源方面的应用，主要讲人工光合作用，崔屹教授会继续讲纳米材料在能源上面的应用。
因为我是做化学的，人工光合作用是一个化学反应式，二氧化碳+水+太阳能变成氧气+化学燃料。这是纳米材料在能源方面的重要应用，可再生能源。在过去一百年当中，我们所用的能源大部分从原油上来的，经过一百多年工业化以后，引起了很多问题，环境上有很多问题，二氧化碳在大气当中的浓度越来越高，然后全球暖化，现在极端的天气情况越来越多，环境污染大家在北京也深有体会，海平面的上升，一系列的问题都是跟我们现有的经济结构、能源结构有关，因为我们现在的能源结构大部分都是依赖于原油。
通常看一下海平面上升，通常所说全球暖化两度跟四度，这是现在的陆家嘴，如果继续接下来几十年当中，还是源源不断地用原油的话，我们就会进入这种状态，整个陆家嘴就会被淹掉，这是很多沿海城市都会有这样的问题，像旧金山、伦敦、纽约一样。在这种情况下需要引进更多的可再生能源上面的技术，人工光合作用就是这样的技术，把太阳能转化然后储存到化学能，跟太阳能电池还是不一样，大家所知道的太阳能电板，从太阳能转化成电，然后还要担心怎么把电储存下来，崔屹教授会讲更多的怎么储存电方面的问题。
我所讲的一步是太阳能转化为化学能，把能量储存在化学键当中，如果能够这样做，基本上能够Carbon-Neutral的过程，汽油能够开车，排放二氧化碳，通过太阳能转化过来变成能用的化学燃料。
绿叶每天在做这样的事情，二氧化碳、水、太阳能转化为碳水化合物和氧气，自然界当中已经告诉我们，我们所想做的事情，从热力学的角度看来是可行的，问题是怎么样能够把自然界这个东西学过来，然后又能够把能量转换的效率提高，因为大家也知道绿色植物的能量转化效率相对比较低。绿叶里头从太阳能转化为化学能的效率大概就是百分之零点几，甘蔗的转化效率稍微高一点，4%左右。我们要学大自然，过程可以学过来，效率上面怎么提高，稳定性上面也要提高，这样才是真正将来可用的可再生能源了。
要学大自然，首先要学会大自然界当中的化学反应怎么做的，有一个比较复杂的化学的过程，这里有两个光吸收过程，跟两边有一个半反应，一边是水的氧化，半反应给的氧气，二氧化碳还原成碳水化合物。伯克利的（英文）发现了二氧化碳还原过程当中的化学过程，1962年拿了诺贝尔奖。
化学过程、物理过程拿过来，设计新的材料，15年前在伯克利，太阳神计划的时候，把这样的设计放到一个图纸上面来，高比表面积的半导体跟高比表面积的催化剂放到这里面来，有一些半导体纳米导线的应用，因为是非常好的光吸收体，比表面很高，通常需要高比表面积，半导体正好有这个优势。整个过程当中一半一半，这边半导体导线做光吸收，两个催化剂做两个半反应，水的氧化反应氧气放出来，这边二氧化碳还原，拿到很多化学品，甲烷、甲醇、乙醇、丁醇，一定程度上，太阳能储存到化学能当中。
光化学二极管，实验一直没有能做出来，70年代提出来的，涉及到70年代纳米材料没有起步，光化学二极管要成功，依赖于后面几十年当中纳米材料的进展。从物理过程当中，大家可以看到，这里面两个光吸收过程，两个半反应，跟自然界的光合作用一样。
有了光化学二级滚的设计，半导体纳米导线阵列引进来，催化剂引进来，一步一步把整个系统集成在一块，整个过程15年前，放到一个设计图，经过过去十来年的努力，现在的确能够做这个事情。三年前第一次能够做这个事情，过去两三年当中从转换效率方面的确提高很多。
现在来说比较普遍应用的，我们通常所说的Photocathode，在硅的纳米导线阵列方面，做二氧化碳还原，另外做水的氧化，这也是半反应。高比表面积的半导体纳米导线，可以加入这样那样的催化剂，来做二氧化碳的还原。
这是电镜照片，光吸收很好，同时又是非常高比表面的东西，因为我们要做的是光催化。不光把太阳能引进来，变成电，我们需要把电子再做成化学键，高比表面积跟光吸收是把光化学二极管做出来的最好的一个途径。为什么概念是70年代提出来的，真正实验能够做出来是经过了二三十年的纳米材料的发展，才真正第一次把光化学二极管能够做出来。
三年前第一次做出来这个的时候，效率大概是0.4，在第一代的集成系统当中，已经跟自然界当中的光合作用效率是等同的，这里头涉及到当时我们第一次能够引进的是半导体纳米导线跟生物催化剂。可以从还是化学反应水+二氧化碳+太阳能，第一步变成乙酸+氧气，这是全反应，乙酸是很好的化学中间体，有了乙酸化学键，乙酸可以变成各种各样的化学品，像汽油、高分子、制药的都可以，过去第一代到第二代到现在太阳能转化效率到8%-10%，原理上跟自然界学，效率方面已经比自然界高很多。这是将来非常好的可再生能源的技术。
有一个重要的信息在这，我们现在所做的事情，把大气当中的二氧化碳转化成有用的化学品，整个过程当中用的能源是太阳能，整个人工光合作用所做的体系就是一步到位，太阳能储存到化学键当中，而且能源转换效率已经是很高的效率。
过去几年当中，一步一步把效率提高，将来把效率放大化，要把过程简单化。几代的人工光合作用体系在做，同时也开辟了一个新的科学领域，半导体和微生物的界面，这是非常新兴的科学领域，很多科学问题可以探讨。人工光合作用只不过是半导体微生物界面当中的一个点。第一代人工光合作用体系当中用的生物催化剂，在过去一两年当中，生物催化剂往往有稳定性问题，接下来基本上能够用全合成的无机催化剂，又涉及到纳米材料，就是纳米的催化剂。
做铜的纳米科技做二氧化碳的还原，催化的机理方面还是跟自然界在学，完全是无机体系，非常稳定。太阳能进来，用半导体纳米导线做光吸收，用金属的纳米粒子做催化，一步到位。人工用全合成的催化剂做这个事情，现在从太阳能到化学能转化也能够达到3%-4%，这个过程当中，二氧化碳能够变成乙烯、乙醇或者是丙烯，这样一个过程。整个二氧化碳还原了，把它储存到化学键当中。
这是我女儿画的，这是三年前画的，将来加油站可以用人工光合作用直接从二氧化碳转化成汽油，用的是太阳能，这是将来完全可行的。同时这样一个人工光合作用体系不仅仅解决了地球上的能源跟二氧化碳排放问题，也提供了一个契机，到外太空上面，怎么把外太空的大气成分，或者是外太空人类居住所需要的能源、化学品上面的一个公共的面积，高比表面积的半导体跟微生物界面，或者高比表面积半导体跟纳米颗粒界面做的事情。不仅仅做二氧化碳还原，可以做氮气还原。
火星上面的大气是什么？96%都是二氧化碳，所以火星上面做的人工光合作用比地球上面做容易的多，因为大部分的大气都是二氧化碳，但是同时剩下的都是氮气。氮气固定下来可以做肥料。如果整个人工光合作用体系应用到二氧化碳跟氮气固定下来的话，解决了化学品问题，也解决了能源问题，也解决了将来要用肥料在外太空种植，至少是现在可以想的一个过程。一年前，也有幸被邀请到白宫参加活动的时候，讲了人工光合作用。那一天奥巴马总统宣布30年以后，人类要登陆到火星上面去，要解决太空船问题，要解决人类需要的能源、化学品、肥料问题，各种各样的事情，所以人工光合作用会起到一定的作用，那一天美国总统基本上都会抱一个小孩，30年以后，这个baby有可能会登陆到火星上面去。
六个月以前，拿到美国宇航局的（英文），这是美国宇航局第一次成立，成立了两个，一个是太空船的轻型材料，另外在伯克利做的利用人工光合作用，把火星上面的二氧化碳跟氮气转化为人类所需要的化学品跟能源，这是非常有意义的。
发现火性上面大部分气体，二氧化碳实验，另外伯克利物理化学家做的乔治，50年把红外探测器放到火星（英文）上面，第一次证明火星大气成分是二氧化碳，还有少量水分，这是50年前，乔治拿了美国宇航局的（英文），做了这个事情。怎么把二氧化碳转化为人类所需要的能源，也是非常有意义的事情。
人工光合作用经过这么多年的努力，完全可行的，从机理从合成的材料以及系统上面，真正能够做到这样的事情，从效率以及稳定性，都在一步一步地继续提高，我想有一天人工光合作用肯定可以大规模地应用，作为我们一个下一代的可再生能源。谢谢！
