进入21世纪，在科技进步、经济高速发展的同时，人类日益增长的能源需求与能源短缺的矛盾不断加剧，而太阳能作为地球上能量丰富而又取之不竭的能源，给人类文明持续发展带来新希望。

化学家向大自然学习，从植物的光合作用原理中得到启发，开发了人工光合成技术，即在太阳光的驱动下将二氧化碳与水转化为有机燃料、工业原料、氧气，成功实现太阳能向化学能的转化。该技术凭借其反应条件温和、成本低廉等优势，被称为“21世纪梦技术”。

美国化学家创新人工光合作用新系统，将水和二氧化碳转化为乙醇、甲烷等物质，作为燃料电池的燃料，实现了低碳、甚至零碳的目标。

1、人工光合成过程分为3个步骤

首先是光生载流子的生成过程。半导体材料价带上的电子吸收光能，跃迁至导带，同时将空穴留在价带上。电子与空穴这对光生载流子，具有与半导体导带或价带位置对应的还原与氧化能力。其次，光生载流子迁移过程中，一部分寿命较长的光生载流子，会在电场或者扩散作用下分别迁移至半导体表面参与反应过程。最后，迁移到半导体表面的光生载流子，与吸附在半导体表面上的二氧化碳和水发生氧化还原反应，完成人工光合成过程。

通过人工光合成的3个主要步骤不难看出，高效的半导体材料与器件是实现太阳能转化和利用，以及发展人工光合成技术的关键。在40多年的发展历程中，科学家们研发了种类繁多的人工光合成材料和体系，然而组成与结构单一的半导体材料，很难同时满足人工光合成各步骤的需求，因此设计并构建特殊结构或表面活性单元，成为合成高效的半导体材料与器件的有效策略。国内外众多学者对此类半导体材料开展了大量研究，并取得可喜进展，研制出众多复合半导体材料。

2、地外人工光合成技术

除了应对地球能源危机，中国科学院院士邹志刚等人于2022年提出将人工光合成技术应用于地外空间新思路。南京大学等机构的研究团队在国际学术期刊《焦耳》发表文章称，团队在详细分析嫦娥五号取回的月壤的元素和矿物结构后，发现月壤含有一些活性化合物。它们可以作为催化剂，借助太阳光，将水和二氧化碳转化为氧气、氢气和甲烷、甲醇。

自然界植物的光合作用，是指利用太阳将水和二氧化碳转化为储存能量的有机物，人工光合成技术就是采用人工的材料进行替代，将水和二氧化碳结合产生燃料和氧气的过程。而地外人工光合成指的就是在外太空通过原位太阳能或其他能量的利用，实现人工光合成的过程。

但月球上高真空、极限温度以及强辐射的环境，对于人类在月球表面生存以及材料抗腐蚀性能都提出了极大的挑战。而要最终在月球上实现工业化生产氧气、氢气、甲烷和甲醇，同样还有很多技术难关要攻克。首先，要考虑如何在月球表面提取月壤中水资源的问题；其次，若想要搭建地外人工光合成的一整套工业体系，不仅是航天学，同时也包括工程学、物理学、化学和材料学等，都需要进一步深入研究，才有望实现这一过程。

这一策略有助于未来人类在月球上探测、居住和旅行，实现这一目标可以极大提高人类在月球生存的可行性和持久性，为实现“零能耗”的月球生命保障系统奠定了理论基础。

近年来，全球各国都在开发利用金属络合物和半导体作为光催化剂，将CO2还原为有用资源的技术。被称为 “人工光合成” 的这项技术实用化后，则可以利用太阳能为能源，把被视为地球变暖的“罪魁祸首”的CO2转换为有用的碳资源。

以往报告的高活性光催化剂都采用含钌、铼、钽等贵金属及稀有金属的络合物和无机半导体。但考虑到CO2的体量非常庞大，需要开发仅利用地球上大量存在的元素就能削减CO2的新型光催化剂。

3、光催化还能将CO2还原

日本科学家开发出了不使用贵金属和稀有金属，而是由有机半导体材料和铁络合物构成的光催化剂。向这种光催化剂照射可见光，能将二氧化碳（CO2）选择性地还原为一氧化碳（CO）。

这种光催化剂反应通过照射在太阳光的波长范围内也是主要成分的可见光进行。氮化碳吸收可见光，驱动电子从还原剂向作为催化剂的铁络合物移动。铁络合物利用该电子，将CO2还原为CO。作为性能指标的CO生成转换数、外部量子产率和CO2还原选择率分别达到155、4.2%和99%。

这些数值与采用贵金属及稀有金属络合物时基本相同，与已经报告的采用贱金属和有机分子的光催化剂相比，则高达10倍以上。

最终，研发小组将有机半导体氮化碳与由铁和有机物构成的络合物融合，作为光催化剂使用，向其照射可见光并且在常温常压的条件下，成功将CO2高效率还原为有用资源。

此次的成果证实，仅采用贱金属和有机半导体材料的光催化剂，也能有效利用太阳能，将地球变暖的主要原因CO2高效率转换为有用的碳资源。

随着人工光合成技术的不断发展，其在化学、物理、材料、能源等诸多领域受到许多关注，在清洁能源、国防军事、汽车工业、家电行业等众多领域展现出广阔应用前景。