童年时的疑问，成为国家能源使命
四年级时，王伟俊学习光合作用，提出了一个简单的问题：能否像植物那样利用阳光，为现代生活提供能源？这份好奇心成了他毕生的事业。如今，这位马来西亚科学家借助纳米科学和催化技术，继续探索同一原理，将阳光储存在清洁燃料的化学键中。
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王教授现任马来西亚厦门大学助理院长，并创办纳米能源与催化技术卓越中心（CONNECT）。他和团队设计人工叶片，模拟光合作用的关键步骤。这些装置以工程化纳米材料取代叶绿素，生产富含能量的分子。
CONNECT的研究包括从水中制氢、将二氧化碳转化为甲醇及其他化学品，以及将塑料废弃物转化为燃料。其长远愿景包括建设模块化太阳能制氢基地，为农村社区供能，让前沿科学服务日常需求。
人工光合作用究竟如何运作
人工光合作用利用吸光材料和催化剂，将阳光转化为化学能。装置吸收光子，产生可移动的电荷，再利用这些电荷分解水或还原二氧化碳。最终产物是可储存、运输，并能在没有阳光时使用的燃料。
在水分解过程中，一种反应释放氧气，另一种反应生成氢气。半导体提供能量，催化剂则降低各个反应的能垒。氢气可作为燃料电池的能源载体，也可作为生产氨、钢铁和精炼产品的清洁原料。
将二氧化碳转化为燃料也遵循相同原理。定制催化剂引导电子，将二氧化碳转化为一氧化碳、甲酸或甲醇。装置可以是粉末状光催化剂、配有吸光电极的光电化学电池，也可以是由可再生电力驱动的电催化系统。目标始终相同：稳定运行、高效且成本合理。
从实验室突破到马来西亚的实际项目
CONNECT通过与业界和政府合作，将科研发现与实际应用相结合。2024年8月，马来西亚厦门大学宣布，王教授获得马来西亚国家石油公司（PETRONAS）学术合作对话项目拨款，金额超过100万令吉。该项目旨在利用太阳能人工光合作用，将陆上天然气终端燃烧放空产生的二氧化碳转化为有价值的化学品，直接应对工业排放源问题。
PETRONAS项目从25所大学的588份申请中选出61个项目。对CONNECT而言，这笔拨款将助力推进其项目组合，包括计划于2026年年中完成的太阳能制氢原型系统、旨在减少温室气体的催化剂，以及将棕榈油废弃物转化为石墨烯和绿氢的技术路线。这些工作的共同目标很明确：让有潜力的纳米催化剂走出受控的实验室测试环境，应用于能在露天条件下稳定运行的装置。
催化剂内部的科学原理
人工光合作用建立在三大支柱之上：吸收光线的材料、使电荷分离的结构，以及能让反应快速且具有选择性的催化位点。CONNECT的研究结合二维材料、智能异质结和地壳丰度较高的表面活性位点，构建这些支柱。
二维材料与异质结构
从类石墨烯碳片到过渡金属二硫属化物，二维材料为电荷传输提供超薄通道。将一层二维材料叠在另一层上，可形成宽阔的界面，让电子和空穴高效分离。通过选择能带能量与水分解或二氧化碳还原相匹配的材料组合，这些二维材料异质结构无需依赖稀缺元素，也能提高效率。
Z型与S型电荷传输
自然光合作用通过两个光反应步骤传递高能电荷，通常以Z字形示意。人工装置通过Z型和S型设计模拟这一机制：将两个吸光体连接起来，只保留还原能力最强的电子和氧化能力最强的空穴，让较弱的载流子相互抵消。保留活性最高的电荷有助于提高困难反应的效率，并抑制副反应。
金属碳化物与MXene材料
包括MXene在内的过渡金属碳化物兼具高导电性和可调表面特性。它们既可用作吸光材料，也可作为助催化剂，帮助加速关键步骤并引导反应选择性。MXene通过刻蚀层状前驱体制成，形成导电薄片。合成路线决定的表面基团会影响其吸附分子和传输电荷的能力，而这对稳定、高效地生产太阳能燃料至关重要。
以光能和精准化学变废为宝
塑料带来便利，也造成废弃物处理难题。光催化和电催化升级利用通过定向化学反应应对这一问题。在光照或可再生能源驱动下，催化剂能够打断长链聚合物，将其转化为甲酸盐、乙酸盐、醇类或氢气等有用分子。CONNECT也将这一方法用于农业残余物。马来西亚棕榈产业产生富碳废弃物，可升级转化为石墨烯和绿氢。该团队报告称，已取得一项关于利用生物甲烷生产石墨烯和氢气的专利，展现了如何将废弃物流转化为材料和能源的原料。
从水中制氢，让技术走出实验台
利用阳光制氢听起来很简单，但要将系统整合到户外并不容易。装置必须有效捕获光线、分解水、分离氢气和氧气，并经受数月的高温、降雨和灰尘。CONNECT正在建造一套更大型的原型系统，用于测试户外运行状况，目标是在2026年年中建成一套结合光催化和光电化学技术的太阳能制氢装置。
扩大规模通常面临两个主要问题。首先是效率：太阳能制氢效率必须提高，同时材料仍需保持价格可负担。许多专家认为，10%是一个切实可行的门槛，但具体成本因地点而异。另一个考验是耐久性。催化剂可能在氧气和强光作用下退化。海水中的氯离子还可能引发腐蚀和氯气生成。研究团队通过保护层、选择性膜以及有利于只生成氢气和氧气的反应条件来应对这些问题。
这对马来西亚及本地区为何重要
马来西亚力争在2050年实现净零排放，这需要开发新的清洁燃料，并更聪明地利用碳资源。人工光合作用与多项国家优先事项相关。氢能可以为可再生能源提供备用，也能减少工业排放。将燃烧放空或工艺排放中的二氧化碳转化为原料，能让废弃物变为有价值的资源。升级利用塑料和生物质废弃物，可减轻填埋压力，减少对进口化石原料的依赖。模块化太阳能制燃料装置还可为偏远地区的学校、诊所和小型企业供能，尤其适用于电网扩建缓慢的地区。
合作、人才与数字工具加快进展
CONNECT通过与PETRONAS研究部门及国家科技项目合作，并汇聚化学、材料、工程和数据科学等领域的专业力量，推动研究进展。密度泛函理论和机器学习有助于在实验室制备少数候选催化剂之前，筛选数千种候选材料，从而节省时间和成本。王教授指导着不断壮大的研究生和博士后团队。“高被引研究者”称号和“全球前2%顶尖科学家”榜单等荣誉凸显了研究影响力，但团队的目标仍着眼于实际应用：研发能在马来西亚环境条件下可靠生产清洁燃料的装置。
仍待解决的挑战
人工光合作用可能会成为电解槽制绿氢的补充，而非取而代之。要实现规模化，仍需提高效率、增强耐久性、降低系统配套成本，并设计安全的气体处理方式。二氧化碳转化产物通常是混合物，需要进一步分离。塑料升级利用则需要质量稳定的原料和选择性良好的催化剂。2026年原型系统和PETRONAS项目将提供实地数据，帮助确定这项技术最适合在马来西亚能源转型中的哪些领域发挥作用。
要点
- 王伟俊教授领导马来西亚厦门大学的CONNECT，专注于人工光合作用和纳米催化。
- 其团队研究从水中制氢、将二氧化碳转化为甲醇及其他产品，以及通过光催化或电催化升级利用塑料。
- PETRONAS于2024年8月提供超过100万令吉的拨款，支持利用太阳能将陆上天然气终端燃烧放空产生的二氧化碳转化为其他产品。
- 太阳能制氢原型系统计划于2026年年中完成，以测试其在马来西亚户外环境中的性能。
- 研究工具包括二维异质结构、Z型电荷传输，以及MXene等金属碳化物。
- 海水制氢项目致力于解决氯离子腐蚀和选择性问题，避免生成氯气。
- 与业界合作，并运用密度泛函理论和机器学习，加快催化剂研发。
- 这项研究符合马来西亚2050年净零排放目标，并有望改善农村地区的能源可及性。
