二氧化碳（CO₂）污染是导致气候变化的主要原因，它使地球变暖，威胁着人类的生存。植物通过光合作用自然地将二氧化碳转化为氧气（O₂），但其效率却出人意料地低。现在，一种受到这一自然过程启发的新方法可以高效地将二氧化碳直接转化为氧气，为气候变化和太空探索提供了一个真正的解决方案。

更胜一筹：一种全新的二氧化碳转化方法

近日，南京大学的研究人员开发了一种先进的电化学方法，可以将二氧化碳分解为元素碳和纯氧。这一突破性成果发表在《应用化学》杂志上，即使在水下或太空真空等极端环境下也能高效运行，且无需特殊的温度或压力条件。

从自然中学习，但超越自然

植物利用阳光将二氧化碳和水转化为氧气和糖，这一过程被称为光合作用。但这种方法存在局限性。植物产生的氧气并非直接来自二氧化碳，而是来自水分子。因此，尽管植物发挥着至关重要的作用，但二氧化碳的真正直接分解在自然界中并未发生。

为了克服这些限制，一个研究团队设计了一种创新的电化学装置，其灵感来源于自然界中使用介质——协助化学反应的原子或分子。与植物使用氢原子不同，这种方法使用锂作为关键的介质。

该装置由两个主要部分组成：一个带有微小钴基催化剂的气体阴极和一个金属锂阳极。当二氧化碳气体进入时，锂首先将其转化为碳酸锂。然后，碳酸锂进一步转化，形成氧化锂和纯碳。

在下一个关键步骤中，氧化锂发生电化学反应，释放出氧气。该反应在室温下进行，使用可再生电力。与植物不同，该系统直接从二氧化碳中提取氧气，效率远高于自然界。

效率远超光合作用

这种新的电化学方法显著优于自然光合作用。仅使用钴基催化剂，该方法就能达到约 94.7% 的氧气产量。但通过切换到一种专门优化的钌-钴催化剂，效率会跃升至更高水平，提供令人印象深刻的 98.6% 的氧气产量。这意味着几乎所有引入的二氧化碳都被有效地转化为纯氧，远远超过自然界。

研究团队还使用含有不同二氧化碳浓度的混合气体测试了他们的设备，例如模拟工业废气，甚至是人造火星空气。在火星上，稀薄的大气层主要由极低压下的二氧化碳组成，该方法成功地产生了氧气。这证明了该方法的多功能性及其在现实世界中的应用潜力。

地球及其他地区的实际应用

这一电化学突破为地球和太空探索的应用开启了激动人心的机遇。由于该系统能够在无需特殊条件的情况下高效地将二氧化碳转化为可呼吸的氧气，因此它为火星上的宇航员、水下的潜艇，甚至应急呼吸面罩提供了潜在的解决方案。

“如果所需的电力来自可再生能源，那么这种方法将为实现碳中和铺平道路，”研究团队解释说。通过将该装置集成到工业系统中，工厂可以显著减少排放，将有害的废气转化为有用的氧气和固体碳产品。它甚至可以成为空气净化系统中的一种有价值的工具，去除拥挤的建筑物或飞机机舱等封闭空间中的室内空气中的二氧化碳。

此外，产生的固体碳可以被重复使用或安全储存，进一步促进环境可持续性。这种双重优势——氧气生产和碳储存——为工业采用创造了强大的激励，支持全球实现气候目标的努力。

通往可持续生活的现实路径

通过提供一种实用、可扩展且高效的方法将二氧化碳转化为氧气，科学家们向前迈出了重要一步。人类可能很快就会拥有强大的新工具来应对气候变化，并增强在具有挑战性的环境中的生存能力，从深海到遥远的星球。

正如研究人员所说，这项创新技术提供了一种“实用、可控的方法，用于从二氧化碳中生产氧气，具有广泛的应用潜力——从火星的探索和宇航服的氧气供应到水下生命支持、呼吸面罩、室内空气净化和工业废物处理。”

随着持续的开发，这种非凡的方法可以将有害的排放物转化为可呼吸的空气，重塑人类在地球上和星空中未来的生活。

深入了解光合作用

光合作用是地球上最基本的生物过程之一，它在 30 多亿年前进化而来，极大地改变了地球的大气和生命形式。最初，光合作用出现在古老的细菌中，特别是蓝细菌，通过一种允许它们将阳光转化为化学能的过程。

早期的蓝细菌进行产氧光合作用，产生氧气作为副产品。这种氧气逐渐在大气中积累，改变了地球的环境，为有氧生命的出现铺平了道路。

光合作用的进化涉及重大的基因创新。叶绿体是植物中负责光合作用的特殊细胞器，它们是通过一种称为内共生事件产生的。

在这个过程中，古代真核细胞吞噬了类似蓝细菌的生物体，形成了一种共生关系，其中被吞噬的生物体提供能量以换取庇护。随着时间的推移，这些共生体成为植物细胞的永久组成部分，失去了它们的独立性并进化成现代叶绿体。

光合作用的运作方式

在当今的植物中，光合作用主要发生在含有叶绿体的叶细胞中。叶绿体含有绿色的叶绿素，这对于捕获阳光至关重要。光合作用分为两个主要阶段：光反应和卡尔文循环（暗反应）。

在光反应过程中，叶绿素分子吸收阳光的光子，使电子激发到更高的能量状态。这些高能电子穿过一系列嵌入叶绿体类囊体膜中的蛋白质，称为电子传递链。

这个过程产生 ATP 和 NADPH，这是下一阶段必不可少的富含能量的分子。水分子被分解（光解）以补充丢失的电子，释放氧气作为副产品。

第二个阶段，称为卡尔文循环，发生在叶绿体基质中，即类囊体膜周围的液体。在这个阶段，在光反应过程中产生的 ATP 和 NADPH 被用来将从大气中吸收的二氧化碳转化为葡萄糖。

这个循环涉及一种关键的酶，称为 RuBisCO，它催化二氧化碳固定在核酮糖二磷酸（RuBP）上，最终导致甘油醛-3-磷酸（G3P）的产生，这是葡萄糖和其他碳水化合物的前体。

光合作用的进化显著地改变了地球上的生命，使复杂的生态系统和丰富的生物多样性成为可能。今天，它继续维持着生命，直接或间接地支持着几乎所有的生物体，为生存提供氧气和有机分子。

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