开发人工树叶处理环境超载的CO2对于碳中和意义重大。近期，陕西科技大学生物质与功能材料研究所（王学川教授团队）与纤维新材料及废弃物资源化利用团队（张素风教授团队）成员合作从绘制于纸上的画中树叶出发，制备了一种迄今为止最接近自然叶片的EcoLeaf。该叶片以可见光作为唯一驱动源，在“气孔”可控开合与“叶柄”物质交换的联用下实现叶片对空气中CO2固碳速率的调节。此外，该Ecoleaf具有与自然叶片相似的纤维素组分，可顺利地参与生态系统降解与养分循环过程，且Ecoleaf中的固碳途径具有可设计性，未来可为其它生物固碳途径提供仿生的多功能平台。该工作以“Artificial cellulosic leaf with adjustable enzymatic CO2 sequestration capability”为题发表在《Nature Communications》上（Nat Commun, 2024, 15(1): 4898）。
图1. EcoLeaf的制备过程
利用树叶的光合作用实现CO2固定是地球上最为重要的反应，对于维持生态平衡具有重要意义。然而，伴随着全球工业化的脚步，CO2排放不断增加，光合作用已不堪重负，生态平衡面临严峻考验。在此背景下，开发可高效固碳的人工树叶被提上日程。第一代人工叶片主要聚焦于利用铂、钌、钴、镍等金属催化剂在光照下催化水分解产氢反应。与叶片的光合作用类似，该反应可使光能转变为可被人类储存利用的能量。然而第一代人工叶片与固碳无关，无法解决CO2排放所产生的生态平衡问题。第二代人工叶片主要通过沉积技术在InP、ZnTe、Cu2O、a/p-Si等半导体基材表面沉积光/化学催化剂制备有线/无线配置的光活性集成元件。这类元件以太阳光为主要供能源，通过一系列氧化还原反应联合将CO2转化为有机物（如有机酸、醛、醇、烯烃、多糖等），以进一步模拟人工自然光合作用。已有的光电催化系统对光能的利用率有限、制备过程较为复杂且原材料价格昂贵。此外，多数光电催化系统使用的催化剂均为光、电及化学类催化剂，选择性较差，容易发生副反应，且催化效率相比于生物催化剂大打折扣。大自然中，叶片光合作用背后最核心的是酶的催化作用。相比于其它催化剂，酶具有高效性、特异性、反应条件温和及绿色环保等优势。且随着生物技术的发展，通过微生物发酵可以以较低成本实现任何种类酶的大规模生产。因此，基于生物催化实现CO2的固定成为了第三代人工树叶致力发展的方向。
中国古代神话故事中一位名叫马良的画家可以借助神笔使所画之物走进现实。受该启发，本研究以纸张上绘制的树叶出发构建了如图所示的仿生功能化叶片。基于对叶片染色深度与光照强度的控制，该叶片可将可见光能转化为可控的热能以维持CA碳捕获的最佳活性。在365 nm和450 nm光源的循环激发下，EcoLeaf基质的“气孔”尺寸会发生循环的收缩与扩张，从而实现叶片在恶劣环境下的自我保护与在适宜环境下高效捕碳的可控切换。将叶片的叶柄与水源相接可为叶片捕获气态CO2提供充足的质子来源并避免固碳产物的积聚。土壤降解实验结果表明EcoLeaf在40天内能够被自然土壤完全降解，且降解产物不会对土壤微环境造成影响，实现化作春泥更护花的美好理想。
与自然叶片的固碳过程相似，该平台所提供的人造叶片兼具自然光合过程中不可或缺的光捕获特性、气孔开合特性、气态CO2捕获特性、产物运输功能及生物可降解特性。Ecoleaf旨在为人工生物固碳转化提供一个仿生功能化平台，其生物固碳途径具备一定可设计性，在未来能够将碳捕获核心器官更改为其它单酶或多酶级联催化反应剂，将气态CO2转化为更丰富的C2/长链产物，从而实现一个完美的生态循环。
硕士生杜晨曦为该论文的第一作者，朱兴副教授与贺斌博士为该论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委、陕西省重点研发计划、陕西省教育厅重点项目的支持。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49320-y
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