現時，全球有百分之九十五的人口每天呼吸著受污染的空氣 [1]；在最近二百年內，排放至大氣的二氧化碳量已達二萬三千億噸 [2]。這只是其中兩項反映人類對環境造成破壞的數據。科學家和環保主義者過往一直都在尋求能減少溫室排放的有效方法，而其中一個可行方案是製造人造葉 — 一個比手掌還要小的可再生能源供應站。

人造葉透過人工的光合作用來提出與天然葉片相似的功能 — 利用太陽能把二氧化碳和水轉化成能量密度高的燃料。整個過程可以分為兩個部分：水的光解和燃料的製造。

水的光解在人造葉裡面的光電化學電池（photoelectrochemical cell）內發生。在光電化學電池內，含有催化劑的光電極會被浸在水中，光電極會吸收光能，並利用所吸收的能量把水分解成氫氣和氧氣 [3,4]（圖一）。水的分解過程涉及以下兩個半反應：

陰極的還原反應：

2H⁺ (aq) + 2e⁻ → H₂ (g)

陽極的氧化反應：

2H₂O (l) → O₂ (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^–

總反應式：

2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)

圖一

電池中的薄膜一方面把兩個半反應分隔開，另一方面允許離子自由通過。這防止兩個半電池間電荷不平衡的發生，令整個光電化學電池的效能得以維持。從安全的角度來看，薄膜亦把兩個半反應的產物（即氧氣和氧氣）分開，防止爆炸的發生。

在產生能量密度高的燃料方面，我們可以利用一種經生物工程轉化的細菌Ralstonia eutropha，把氫氣和二氧化碳轉化成碳氫化合物燃料。過程中，水的光解所產生的氫氣，和大氣中的二氧化碳可以被由哈佛大學Nocera 教授的研究團隊所研發的轉基因細菌轉化為液態燃料 [4,5]。Nocera教授表示其研發的系統可以在較低溫度和成本下運作，同時維持其效能 [3]。

此外，值得留意的是我們只需要數公升水便能為家中提供一天所需的能源。Nocera 教授和他的同事Silver教授所構思的系統，可以把燃料製造的效能提升至10%，遠比自然界光合作用的（最多）1% 為高 [3]。

科學家近年一直致力於尋找作為催化劑的最佳材料，用於光電化學電池中水的光解。可是幾乎所有較廉價的選項都被剔除，因為它們較容易被腐蝕和分解。您可能已經注意到，上文提及的氧化反應會把陽極周圍的水變為酸性，而還原反應則把陰極周圍的水變為鹼性，這可為廉價催化劑造成不利的環境。但是，加州理工學院（California Institute of Technology）的Lewis教授和與其合作的其他團隊共同發現了一種可以為電極在鹼性環境下提供保護的二氧化鈦（TiO₂）鍍膜 [4]。這項發現可以令光電化學電池的成本減低，因為陰極不再需要使用昂貴的催化劑。可是，科學家仍在為陽極一端尋找更便宜的選項。

對於為水的光解尋找合適的催化劑來說，使用基因改造細菌R. eutropha 來製造燃料其實限制了催化劑的選擇。為了解決這個問題，Nocera教授和Silver教授曾經嘗試利用不同材料進行實驗。他們第一種試的是鎳鉬鋅合金（nickel-molybdenum-zinc alloy）[6]，雖然在使用該合金下水光解的效率很高，但是產生的活性含氧化合物（reactive oxygen compounds）會破壞細菌的DNA。因此，有科學家質疑是否利用沒有生命的催化物料來製造燃料會比利用細菌更為合適，這樣一來整個系統都不需要涉及生物；完全由無機物料所製造出來系統的穩定性通常較高，因為生物對溫度和酸鹼度等環境因素較為敏感 [4]。當大家仍在質疑使用轉基因細菌是否最佳方案的同時，在2016年，Nocera教授和其協作者首次展示了一種具有自我組裝特性的鈷磷合金（cobalt-phosphorus alloy）製成的催化劑，這種催化劑並不會產生對細菌有害的化合物 [4,6]；而整個由催化劑和細菌共同運作系統的效能可高達10% [4]。

儘管我們可以在人造葉和太陽能板上找到相似的地方，人造葉會較符合成本效益和較有效率，同時亦可為我們提供更清新的空氣 [7]。在不久的將來，世界上不同角落的屋頂可能都會遍佈人工葉的蹤影，源源不絕地為每個家庭提供新鮮的空氣和電力。誰又會想到合成生物學和化學的結合可以為我們的世界帶來革命性的改變？

參考資料

[1] Harvey, Fiona. “More than 95% of World’s Population Breathe Dangerous Air, Major Study Finds.” The Guardian, 17 Apr. 2018, www.theguardian.com/environment/2018/apr/17/more-than-95-of-worlds-population-breathe-dangerous-air-major-study-finds.

[2] The World Counts. “Facts About Environmental Issues.” http://www.theworldcounts.com/stories/Facts-About-Environmental-Issues.

[3] Martin, Richard. “This Bionic Leaf Is Better at Photosynthesis than a Real Leaf.” MIT Technology Review, 29 Jan. 2018, http://www.technologyreview.com/s/601641/a-big-leap-for-an-artificial-leaf/.

[4] Sivaram, Varun. “The Race to Invent the Artificial Leaf.” MIT Technology Review, 23 Feb. 2018, http://www.technologyreview.com/s/610177/the-race-to-invent-the-artificial-leaf/.

[5] Liu, Chong, Colón, Bredan C, Ziesack, Marika, Silver, Pamela A, and Nocera Daniel G. “Water splitting-biosynthetic system with CO₂ reduction efficiencies exceeding photosynthesis.” Science. 3 Jun. 2016;352(6290):1210-3. doi:10.1126/science.aaf5039

[6] Reuell, Peter. “Bionic Leaf Turns Sunlight into Liquid Fuel.” Harvard Gazette, 18 Dec. 2017, http://news.harvard.edu/gazette/story/2016/06/bionic-leaf-turns-sunlight-into-liquid-fuel/.

[7] Chandler, David L. “’Artificial Leaf’ Makes Fuel from Sunlight.” MIT News, 30 Sept. 2011, http://news.mit.edu/2011/artificial-leaf-0930.