墨子沙龙圆桌讨论新材料amp

嘉宾：杨培东、郑南峰、陈立桅

主持人：包信和

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提问：几位教授好，我是催化方向的研究生，我对刚才杨培东先生讲到的液态阳光非常感兴趣。我想问您合成的催化材料，它在地球甚至在火星上，如果想要大规模部署，是不是仍然存在壁垒？

杨培东：这个主要有两点，我们现在在高比表面半导体用的催化剂有两个。一个是生物催化剂，是一个全细胞的细菌，就是从自然界当中拿回来的细菌，这个是很容易培养的，在我们实验室，几十个一批小规模的在做，这个很容易，没有什么壁垒。另外一个半导体是我们实验室自己合成的一些金属催化剂，这部分从选择性上面，还需要进一步提高，跟生物催化剂还不能比，而且它到大规模的应用，可能距离稍微远一点，尤其是在二氧化碳转化上面。所以要大规模应用，应该是先从高比表面的半导体和生物催化剂的一个界面来开始，应该说完全可以做商业化的讨论。

包信和：我刚才也有一点没有听懂，你说从二氧化碳进入光的催化变成甲酸，光的效率有百分之八到九，这是什么意思？

杨培东：我们通常所说的效率是太阳能转化成化学能。因为一般来说，比如说太阳能电池，是从太阳能到电能的转化，基本上硅电池做到20%多。我们通常所说的人工光合作用的全反应，是二氧化碳、水、太阳能转化成化学品加上氧气，能量转化效率就是多少太阳能进去，有多少化学品出来，计算化学能，就可以计算转化效率。

包信和：这一点是肯定的（百分之）八到九？

杨培东：对，这一点不仅仅是我们实验室，哈佛的另外一个教授基本也能够做到。就是能够做二氧化碳到甲醇、天然气，能够做到八个百分点。好像哈佛的一个实验室，能够做二氧化碳转化成丙醇，能够达到8%-10%的样子。

包信和：这里面有牺牲剂吗？（注：牺牲剂，是通过自身损耗来减少其他化学剂损耗的廉价化学剂）

杨培东：我所说的完全是全反应，没有牺牲剂。因为的确很多实验室做半反应都会有牺牲剂，用牺牲剂的话基本不能计算转化效率。

包信和：这个颠覆了我的一些观点，我想8%-9%（的转化效率）应该有一些商业化的可能性。

杨培东：生物催化剂我们是在讨论商业化。

提问：请问杨院士，人类是否已经透彻了解了自然界中光合作用的生物机理？另外，光合作用过程中的叶绿素，对于我们基于半导体模拟光合作用有什么指导意义？

杨培东：我们在很多年前，一开始考虑要怎么设计人工光合作用体系时，完全是跟大自然学的。自然界中绿叶里的光合作用，在过去几十年当中已经摸的比较透彻。我刚才所说的光系统Ⅰ和Ⅱ的双光子吸收，加上两个氧化还原的半反应，什么样的活化中心，这里面都已经摸的很清楚。我们所做的就是学习绿叶植物光合作用，设计高比表面积的半导体，跟两类催化剂，这两类催化剂要到实验室里去摸索。所以应该说，我们现在正在利用我们对自然界的光合作用的理解，来设计人工光合作用体系，这里面还有很多这样那样的问题，我们只走了第一步，证明了这是可行的，而且效率还不错。刚才那个同学所说的商业化，其实有很多这样那样的问题。第一，实验要扩大化，第二，稳定性要增加，第三，选择性要增加，这里面有一系列问题需要解决，所以我们只不过是在学习自然界光合作用中走了第一步。

提问：您刚才提到的火星计划让我们非常神往，人工光合作用的转化效率达到了8%到9%，用到了生物催化剂，是细菌，那是不是要考虑细菌能否在火星上面存活的问题？

杨培东：在整个宇航局中心里面我们是一个团队，我们负责在一个可运行的条件下做人工光合作用。首先，我们知道火星表面的辐射很强，将来人类要在那里生存，辐射要屏蔽，这是一个事情。第二，如果部分不能屏蔽，还要考虑辐射所引起的基因转变。比如说有一个细菌这次产生的是乙酸，一旦它经过辐射以后基因转换了，可能就产生了别的东西，这是接下来肯定要考虑的问题。因为从转换效率跟选择性来说，现在人工光合体系当中的确是生物催化剂走在前面，所以这是先会被试验的一个体系。

提问：我想向郑老师提一个问题，您刚才说的工作是个非常漂亮的工作，一般卤素在还原反应中非常容易脱掉，这在有机化学中是一个比较难的问题。如果把您讲的这个反应引入到有机化学实验室，或者引入药物化学来做，这是一件非常有意义的事情。但我有一点不明确，它的反应条件怎么样？

郑南峰：反应条件都是非常温和的，一般是在一个大气压下，有些甚至是在常温下，因为我们已经实现了工业化。但是我们可能没有