紧跟现在大气二氧化碳达到至少三百万年来的最高水平这一发人深省的消息之后，已经实现发展碳中性可再生能源的重要进步。美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家已报道了用于人工光合作用的第一个完全集成纳米系统。而“人工叶”是这样一个系统的流行术语，这一成功的关键是一个“人造森林。”

    “跟绿色植物进行光合作用的叶绿体相似，我们的人工光合系统是由两个半导体光吸收器、电荷传输界面层以及空间分离助催化剂组成，”伯克利实验室材料科学部化学家杨培东(音译)说。他领导这项研究。“为促进系统中太阳能水分解，我们合成了树状纳米线异质结构，包括硅材料树干和二氧化钛树枝。视觉上，这些纳米结构阵列非常类似于人工林。”

    太阳能技术是碳中性可再生能源的理想解决方案-一小时全球阳光等值于足够满足所有人一年需要的能量。直接将太阳能转化为化学燃料的人工光合作用被认为是最有前途的太阳能技术。人工光合作用的主要挑战是产生足以与化石燃料相竞争的廉价氢。迎接这一挑战，需要一个能够有效地吸收太阳光并产生电荷流驱动单个水减少和氧化半反应的集成系统。
 
    当阳光被叶绿体的色素分子吸收，激发电子产生，通过运输链从分子到分子，直到最终带动二氧化碳转化成碳水化合物糖的转化。因为运动模式类似于字母Z的侧面，本电子传递链被称为“Z型”。杨及其同事也在他们的系统中使用Z型，他们只利用两个地球上丰富而稳定的半导体硅和钛的氧化物-负载助催化剂以及它们之间插入的一个欧姆接触器。硅和二氧化钛分别用于产生氢的阴极和氧的阳极。树形结构用来最大限度地提高系统性能。像一个真正森林的树木，人工纳米线树密集排列抑制反射太阳光，提供更多表面积进行燃料生产反应。

    “硅和二氧化钛生成光激发电子-孔对，吸收太阳光谱的不同区域，”杨说。“硅纳米线光激发电子迁移到表面降低质子产生氢气，而二氧化钛纳米线光激发孔氧化水产生氧分子。来自两个半导体的多数电荷流在欧姆接触器重组，完成类似于自然光合作用中的Z型传递。”

    在模拟太阳光下，这种集成纳米线人工光合作用系统实现了0.12%太阳能-燃料转换效率。虽然与一些自然光转换效率有可比性，但这个比率必须大加改善才能用于商业用途。然而，该系统的模块化设计允许很便捷地纳入新发现的单个组件以提高其性能。例如，杨指出，系统硅阴极和二氧化钛阳极的输出电流不匹配，阳极较低的光电流输出限制了系统的整体性能。

    “我们有一些关于发展比二氧化钛性能更好的稳定光阳极的好想法，”杨说。“我们确信，在不久的将来，我们能够取代二氧化钛阳极，提高能量转换效率到百分之几。”