路易斯安那州立大学的研究人员正在探索利用地球上最古老的能源：阳光，按需创造真正绿色能源的新方法。您已经听说过太阳能电池和太阳能电池板，但路易斯安那州立大学生物科学系助理教授 David Vinyard 正在研究另一种利用太阳能量的方法：光合作用。

光合作用的一般概念——植物吸收阳光并利用这种能量从水和二氧化碳中制造糖或生物质的能力——是众所周知的。但确切的机制仍在被发现。Vinyard 逐个原子、逐个电子地跟踪过程。

LSU 校园内 Vinyard 实验室的 David J. Vinyard。图片来源：路易斯安那州立大学理学院

“考虑到自然界如此大规模地发生光能如何将光能转化为化学能，我们对此一无所知，这令人震惊，”Vinyard 说：“如果我们能够了解大自然使用的化学和物理机制，我们就可以将这些蓝图提供给化学家和工程师，以开发清洁能源转换装置。本质上，就是一片人造叶子。”

人造叶子可能是一种廉价且高效的太阳能燃料电池。它可以利用光能从水中剥离电子和氢原子，然后将其重新组合以产生氢气，一种绿色燃料。今天，大约 95% 的氢气是由天然气（一种化石燃料）生产的，而人造叶子只需用水和阳光就可以按需生产。

“随着全球和国内能源市场对与我们的传统能源相关的碳管理变得越来越敏感，Vinyard 博士的工作有可能通过帮助我们的能源构成提供更多选择来帮助路易斯安那州实现能源经济多样化， ”路易斯安那州自然资源部国家能源办公室主任杰森兰克洛斯说。

光合作用可以在人造系统中复制，以按需创造绿色能源。图片来源：路易斯安那州立大学

Vinyard 于 2019 年获得美国能源部早期职业奖以研究能量转换，他研究光合作用的微小化学力学，这一过程已经发生了数十亿年。Vinyard 的实验室正在进行他所谓的“非常基础的研究”，即逐个原子、逐个电子地跟踪过程，以准确地绘制出化学键是如何通过每个微小步骤断裂和形成的。

根据 Vinyard 的说法，通过光合作用创造清洁能源的另一个重要组成部分是，自然光合作用只使用地球上丰富的材料。化学家和工程师正在开发的许多催化系统仍然依赖于铂、铑和钯等稀有元素，这些元素不仅价格昂贵，而且只能在特定地方找到。

根据 Vinyard 的说法，用于清洁能源生产的人造叶子有两个部分。首先，催化剂将使用光能从水或 H 2 O 中剥离电子和氢原子。理想情况下，该过程将使用低成本材料。

“大自然可以使用丰富的钙和锰来分解水分子，这非常了不起，”研究人员说。在第二部分中，释放的氢原子和电子重新结合产生氢气，H 2，可用作燃料。

“如果我们能够了解自然光合作用如何利用阳光分解水，那么我们就可以将这些知识应用于开发廉价且高效的太阳能燃料电池，”Vinyard 说：“在紧急情况下，可以仅使用水和阳光按需生产燃料。有一天，希望很快，这种技术可以帮助我们摆脱化石燃料的广泛使用。”