人工光合作用的商业化是一个曲折的过程，比如2011年大肆宣传的所谓“人工叶子”的故事。由于经济性的问题，该项技术的原创公司Sun Catalytix 在2012年就迅速放弃了商业化应用的计划。

但是，进程相近的其他一些公司，比如Hypersolar，仍在继续尝试将其商业化。而科学界在光电化学还原领域似乎也还进展的比较顺利的。

光电化学还原的研究主要集中在美国能源部人工光合作用联合中心（JCAP）。JCAP共有两个分部，分别是位于伯克利国家实验室的和加州理工学院。

前不久， 科技媒体IEEE Spectrum 采访了伯克利国家实验室分部的研究人员，主要讨论了到以下几个问题：

光电化学还原技术的现状；

未来发展；

纳米材料在发展过程中所起到的作用。

JCAP成立于2010年，是基于与美国能源部签署的一个5年合作协议，旨在发展以太阳光、水、CO2作为原料的氢燃料和碳基燃料。2015年，在上述协议的基础上，双方又签署了另一个5年合作计划。

JCAP 北方分部的副主任佛朗西斯?霍尔（Frances A. Houle）解释说，“第一个5年合作计划的主要任务是探索哪种类型的人工光合作用是我们能够真正实现的。我们首先研究了水分解制氢，结果很成功，实现了我们的目标。”

霍尔说，“我们研究的产氢装置，其产氢效率达10%，同时具备高的稳定性和持久性，有望制备大规模集成装置。虽然有些其他的系统得到了18%的产氢效率，但它们与JCAP的系统完全不一样。

不同之处在于，我们的系统不但可以分解水，还可以把产物分离开。通常来说，水分解会同时得到氢气和氧气，这是一种易爆易燃的混合物。我们在装置里嵌入了分离膜，由此在获得高效率的同时将产物分离。”

图 | JCAP 北方分部的副主任佛朗西斯?霍尔（Frances A. Houle）

第一个5年计划之后，JCAP开始采用技术成熟度（TRL）进行技术进展的评估。TRL共有10个等级，其中TRL-1代表基础研究，TRL-10代表技术已成熟，可以进行商业化生产。

JCAP的光解水技术达到了TRL-3等级，即实验装置示范阶段，不再是基础科学研究阶段。霍尔说，到达TRL-3等级后，表示技术已经过渡到发展阶段，将会在能效和可再生能源办公室基金的支持下开展后续工作。

2015年以来，JCAP承担的任务重点转向了利用光电化学方法还原CO2。这是一项非常有挑战性的长期研究，而且与之前的研究差别较大。与光解水相比，CO2还原的研究工作更加繁重。

CO2还原反应会有很多产物，如何选择性地获取某种特定的产物作为燃料（比如甲醇），是最大的难点。目前JCAP尚未发表该方面的研究成果。

但是，在这期间，光解水方面有新的研究成果发表在《自然材料》期刊上，内容是利用半导体材料制备了一种光解水用催化剂。半导体材料具有带隙，当受到能量高于其带隙的光子撞击时，就会产生电子-空穴对，直播，进而产生电流。这就是光电器件如何把太阳能转化为电能的原理，也是光电化学还原的基础原理。

这项工作主要是由佛朗西斯?玛利亚?托玛（Francesca Maria Toma，JCAP的主要负责人）和她的同事杰森?库伯（Jason Cooper，atv，JCAP的高级研究员）完成的，文章报道了半导体的制备和表征。

另外，他们还对比了不同的半导体材料体系，比如硅、 III-V半导体、金属氧化物半导体。库伯解释到，“实际上，我们尝试利用金属氧化物半导体来降低整个装置的成本，提高其性能，并研究新材料体系的局限性，因为目前尚未有相关的理论以及研究结果。”

托玛表明， 他们是在电池环境下进行的相关研究，希望由此研究纳米材料在受限环境中的性能。值得一提的是，他们尝试利用吸光材料比如氧化铜，通过制备纳米结构的氧化铜来提高光电流，进而提高反应进程。

他们尝试了很多种不同结构，才得到了最终的装置。这款装置经济性高，效率高，耐腐蚀性强，暴露在太阳光中，产生氢气和氧气。其实，这个项目的目标之一就是制备高效稳定的装置，并且其集成系统同样具备高效率和高的稳定性。