人工光合作用的進展或許比想像中更為接近。來自巴塞爾大學的科學家們開發出一種新型分子，能夠儲存四個光電荷，這一發現加快了尋求碳中和燃料的進程。在自然界中，植物依賴光合作用來捕捉太陽能，將二氧化碳轉化為富含能量的糖分子。動物和人類消耗這些碳水化合物，釋放儲存的能量，並將二氧化碳重新釋放到大氣中，形成一個支撐地球上幾乎所有生命的循環。
研究人員希望在實驗室中模仿這一自然模型。如果能夠利用陽光產生氫、甲醇或合成汽油等高能化合物，那麼這些燃料在燃燒時將不會額外釋放二氧化碳，使其有效達到碳中和的效果。巴塞爾團隊在奧利弗·溫格教授的帶領下報告了一種可能成為實現這一目標的重要步驟的分子。該分子由五個相連的組件構成，設計上十分精確：其中兩個單元釋放電子並帶上正電荷，另外兩個單元捕獲電子並帶上負電荷，而中央單元則吸收陽光以促使轉移。
儲存四個電荷不僅僅是技術上的成就，還解決了人工光合作用中的一個核心挑戰。許多生成太陽能燃料所需的反應，例如將水分解為氫和氧，都需要多個電子。如果沒有辦法同時累積並穩定多個電荷，這些反應就無法高效進行。通過使用兩次光閃光，研究人員成功地逐步生成四個電荷。第一次閃光產生一個正電荷和一個負電荷，這些電荷移動到分子的兩端。第二次閃光重複這一過程，使結構最終擁有兩個正電荷和兩個負電荷。
“這種逐步激發使得我們能夠使用顯著弱的光。因此，我們已經接近陽光的強度，”博士生馬西斯·布蘭德林解釋道。早期的研究需要極強的激光光源，這與實用的人工光合作用願景相去甚遠。“此外，分子中的電荷穩定存在的時間足夠長，能夠用於進一步的化學反應。”能夠暫時儲存多個電荷對於太陽能燃料的生產至關重要，因為這些電荷可以驅動所需的化學反應，以分解水分子並合成碳中和的燃料。
溫格強調，儘管這種分子尚未成為一個功能完整的人工光合作用系統，但它代表了重要的基礎組件。“我們已經展示了如何有效地利用陽光儲存多個電荷，”他說。“理解這些電子轉移使我們更加接近將太陽能轉化為可儲存的可持續燃料。”這項研究還凸顯了分子設計如何將人工光合作用從理論推進到更接近現實應用的階段。對於可持續能源的未來，這類突破有望改寫人類生產和消耗燃料的方式。該研究結果已發佈於《自然化學》期刊上。
