最近，科學家找到了一種簡單實惠的方法將水分解成氫氣和氧氣，這種方法的原理和光合作用差不多，只是將太陽能轉化了可燃燒的氫氣和氧氣。
2008 年8 月6 日，美國麻省理工大學的科學家在實驗室內再現(xiàn)了光合作用的過程，在整個過程中光合作用將水分解成氫和氧，并產生了可供燃燒的氫氣和氧氣。該實驗的意義在于光合作用產生的能量能夠被人類利用，這種技術將引發(fā)一場太陽能使用的大革命，以補償煤炭、石油等不可再生資源的消耗。
光合作用反應器
資源豐富、無毒、無污染??作為一種理想的新能源，氫氣密度最小、在自然界存在豐富、發(fā)熱值高、燃燒性能好，本身無毒，燃燒時產物為水、不會產生污染物質、燃燒生成的水可繼續(xù)制氫，反復循環(huán)使用等顯著特點。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，氫即用作A-2 火箭發(fā)動機的液體推進劑。目前液氫已被廣泛用作火箭和航天動力的燃料。世界各國對開發(fā)利用氫能都十分重視，投入了不少人力、財力、物力，并且已取得了多方面的進展。氫氣實在是一種理想的能量來源，只是人們一直未能找到不消耗其他能源而大量獲取氫氣的方法。
40 多年前人們發(fā)現(xiàn)綠藻在無氧條件下，經太陽光照射可以放出氫氣；10 年前又發(fā)現(xiàn)，藍綠藻等許多藻類在無氧環(huán)境中適應一段時間，在一定條件下都有光合放氫作用。目前，科學家已經成功地通過模擬光合作用進程，在實驗室制造出了氫氣。
只用水、陽光和藻類就能生產出能量！聽起來多么異想天開。然而科學家在微型藻類上的實驗證明，這個看似荒誕的夢想并非絕無實現(xiàn)可能。事實上，微型藻類家族中的一小部分成員本身就能夠天然地生產氫氣，而氫氣正是當前被普遍看好的石油替代能源。隨著化石能源儲備的減少和全球氣候變化，世界上許多實驗室都在試圖進一步了解藻類放氫這一生物過程，以便對其加以利用，從而滿足人類對能源的需求。研究的最終目標是，將這些藻類培養(yǎng)在巨大的光合作用反應器中，在陽光的照射下，產生大量“潔凈”氫氣，既不需要電，也不會釋放溫室氣體。
克服生物限制
光合作用放氫現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于1939 年。當年，芝加哥大學的研究員漢斯首先發(fā)現(xiàn)，一種單細胞綠藻——萊茵衣藻，有時候會停止產生氧氣轉而釋放氫氣。不過這種與氫化酶（無氧條件下的一種活性酶）相關的反應極其短暫，轉瞬即逝。直至近年來，這方面的研究才有了重大突破?？茖W家們終于掌握了一些經驗，使這一氫合成過程得以延長，開辟出生物科技應用前景。
以著名的萊茵衣藻為例，看看氫氣究竟是如何產生的。衣藻是一種直徑為10 微米的單細胞生物，有兩根鞭毛。由于其結構簡單，50 多年來科學家們一直喜歡用衣藻作為研究模型，并昵稱它為“ 綠色酵母”。在美國能源部基因研究所的協(xié)調下，世界各地的百余名科學家日前完成了對衣藻全部基因組的測序。作為一種植物，衣藻從光合作用中獲取養(yǎng)料、生長發(fā)育。在光線的作用下，它吸收周圍環(huán)境中的水和二氧化碳，通過反應生成有機分子，主要為糖類。這種由光能向化學能的轉換發(fā)生在細胞的特殊隔室即葉綠體內。衣藻僅含有一個鐘狀葉綠體，那里就是反應、產生氫氣的所在。
光能被葉綠體膜吸收，導致水光解，衣藻釋放出氧氣和電子。然后，在葉綠體的類囊體中，電子流將二氧化碳合成糖類。此時氫化酶的介入能夠保證這兩個過程的有效銜接。酶的功能有如安全閥門，在光線的作用下，電子轉移反應立即發(fā)生，而糖類合成則啟動得慢得多。因而這里存在一個關鍵階段，在這個階段里過量的電子對藻類是有毒的，應該被驅散。而氫化酶能夠吸收電子，制造氫氣，從而避免了系統(tǒng)運行的阻塞。
問題在于，由于水光解釋放出的氧氣很快就會抑制酶的作用，氫氣的制造在幾分鐘之后就會中止。此時光合作用中的電子傳遞鏈提供的電子，就會被有機物利用來幫助吸收二氧化碳形成糖類。這兩種反應機制對電子的爭奪，決定了氫化酶的活動僅僅是暫時的。
效率有待提高
簡而言之，光合作用為酶提供電子，酶依賴于光合作用；反過來，光合作用產生的氧氣又抑制了酶的活動。在研究如何提高光合反應器的效率之前，科學家們的首要任務便是克服這一重要的生物限制。為了做到這一點，目前有兩條途徑。
第一種途徑是將氫化酶與光合作用分離。也就是說，將藻類的生長期（在光合作用下）與氫氣的產生階段（無光合作用參與）分離，讓氫化酶有充分時間發(fā)揮作用。事實上早在2000年，科學家就曾設計過一個分離方案：將衣藻浸泡在一個無硫的環(huán)境中，藻類產生應激性反應，光合作用被削弱（因此氧氣排放量減少），呼吸作用增強（消耗掉更多氧氣）。這樣，衣藻很快處于有利于制氫的厭氧環(huán)境中。遺憾的是，這種環(huán)境對于衣藻來說十分不利，它的生長受阻，很快就會死去。
相比之下，另外一種途徑更為有效。這種方法關注的是一個對光合作用很重要的基因。通過對葉綠體基因的控制，使這個基因處在啟動基因的調控下，當銅元素缺乏時啟動基因被激活，當銅元素介入時啟動基因受到抑制。這個啟動基因就相當于一個開關。在沒有銅元素介入時，藻類生長，基因開始表達，光合作用發(fā)生。添加銅元素啟動基因抑制，光合作用中斷，氫化酶接力繼續(xù)工作。更有趣的是，由于啟動基因同樣對氧氣敏感，光合作用（產生氧氣）和自身的呼吸作用（消耗氧氣）的彼此交替，可使開關打開或閉合。整個過程不需要人為地對銅進行控制，構成一個可持續(xù)循環(huán)運行的系統(tǒng)。然而，目前的反應效率僅能勉強達到0.5%～3%，要實現(xiàn)工程化產氫達到10%以上還有相當大的距離。
產氫新途徑
光合作用廣泛存在于自然界，葉綠體收集太陽光能，將水和二氧化碳轉化為有機物（葡萄糖），并釋放出氧氣。但這只是最終結果，整個過程一開始是將水和二氧化碳轉化為氧氣、自由的質子和電子。在光合作用中產生了兩個化學反應，葉綠素分子失去兩個電子，水分子發(fā)生分解。盡管光合作用在各種教科書中都得到了詳盡的闡述，但是想人工實現(xiàn)這一過程卻絕非易事，主要的問題在于缺少有效地電解水的媒介，在植物中充當這一媒介的是葉綠體。
眾所周知，水能夠電解成氫和氧，但整個過程毫無意義。為了提高這一性能，化學家們提供了能促使反應在更低電壓情況下分解的催化劑。用釕和鉑充當這種媒介，當然這兩種金屬都很昂貴。除此之外，反應要進行還需要特定的溫度條件和氣壓。
目前，科學家已經找到了加速水電解的另一個好方法。他們把銦和錫的氧化物做成的電極放置在鈷離子和磷酸鉀的水溶液中，然后在溶液中通入太陽能電池的電流，這樣相當于葉綠體的觸媒就產生了。與此同時，水分解成氧氣和自由的氫離子，這些氫離子聚集在電極上，并在那里形成氫氣。白天，用通常方法獲得的太陽能一部分可用于日常所需要，一部分用來將水分解成氫氣和氧氣，并將氫氣儲存起來。晚上，氫氣和氧氣作為燃料用來發(fā)電。
自由的氫離子和氧能夠轉化為燃料用來發(fā)電。整個過程發(fā)生在正常的大氣壓環(huán)境和溫度內。媒介中的物質在反應過程中失去了自己的特性，當反應結束時又恢復到原來的樣子。這和自然界的葉綠素一樣。研究證明，能夠使用相對便宜的媒介，并以此為基礎在通常條件下得到光合作用的光能?？茖W家已經為此制定了進一步的研究計劃。實驗室內模擬光合作用的過程是利用太陽能歷史上的一個巨大創(chuàng)舉，這將使氫氣生產成為可能，并使太陽能利用步入新的時代。實現(xiàn)工程化產氫的那一天已不再遙遠！