造電池,學樹葉

通過模擬一部分光合作用，丹尼爾#8226;諾西拉找到一種產生氫氣的方法，便捷且廉價，從一杯水中制造出了燃料。這一成果很可能大大改善太陽能產業，讓太陽能在未來成為主流能源。

諾西拉屈肘不動，目光保持穩定，有點像拍照的姿勢。在本該放照相機的位置上，是一個U形試管，里面的液體無色透明，兩串小氣泡開始從底部冒出來。

這不是一次普通意義的水分解實驗。作為展示者，麻省理工學院的化學家丹尼爾#8226;諾西拉(Daniel Nocera)有點激動，“你們看到那個了嗎?”他指了指試管一端源源不斷冒出來的氧氣，“這是未來，我們得到了樹葉。”

事實上，同時生成的另一種氣體才更重要。這實驗真正偉大的意義在于，未來科學家將模仿樹葉，在太陽和氫燃料之間，以一種便捷的方式實現能量轉化。

人工光合作用

在真正的光合作用中，綠色植物利用葉綠素捕獲來自太陽的能量，然后，驅動一系列復雜的化學反應，將水和二氧化碳轉變成富含能量的碳水化合物，如淀粉和糖儲存起來。

科學家意圖將光合作用以某種方式拿到實驗室里。

像丹尼爾#8226;諾西拉一樣的研究者們感興趣的是光合作用的早期步驟—蛋白質結合物和無機催化劑如何能幫助將水分解成氧和氫離子。

2 0世紀7 0年代早期，科學家們開始了相關的嘗試。當時，他們已經可以分解水，但這一過程卻需要高溫、苛刻的堿性溶液，或者稀有昂貴的催化劑，如鉑。

東京大學研究生藤島昭( A k i r aFujishima)和他的導師本多健一(KenichiHonda)設計出了二氧化鈦制成的電極。當這種電極暴露在500瓦的氙燈光線中，周圍接觸它的水會被緩慢分解。

1 9 7 4年，北卡羅來納大學教堂山分校的化學教授托馬斯#8226; 邁耶( T h o m a sMeyer)有了新的構想。他發現如果將一種以釕為基礎的染劑暴露在光線中，它就可以使水氧化。

但這兩種技術后來都被證明不可行。二氧化鈦不能吸收足夠的太陽光，而邁耶的染劑中，光誘導化學狀態太短暫。但無論如何，這些進步大大刺激了科學家們的想象。

當倫敦帝國學院的研究人員終于確定，催化劑的關鍵是一個蛋白質、氧原子、錳和鈣離子的集合，諾西拉知道機會來了。“我一看到這點，就開始設計系統。1984年以來，我們一直在努力完全弄懂光合作用背后的化學。”

諾西拉的團隊最終拿出來一套裝置，就是提到的那個U形試管。

試管中充滿玄機:當接通電源，鈷和溶液中的磷酸鹽聚集到一個電極，形成一種催化劑。由于它起的作用，電子流出電極，氧氣釋放出來。而氫離子則流經一層膜去到另一邊，在那里，經過鎳金屬催化，形成氫氣。

“從一杯水中制造燃料，”諾西拉說，“這就是未來。”

羨慕葉子的理由

太陽能是個好東西，它的優點是能量來自于太陽。不過它的缺點也是能量來自于太陽。

如今，大多數太陽能電板必須與電網連接:陽光燦爛的日子，太陽能電板以峰值運行，多余的電力賣給公用事業單位。但在夜間或陰天，他們不得不依賴電網。

同時，電池是昂貴的。最好的電池每公斤儲存300瓦時的能量，而每公斤汽油儲存13000瓦時。

這也就解釋了科學家為什么如此迷戀葉子。

但諾西拉的這項發現一提出卻遭到質疑。“人工光合作用的說法太瘋狂了，”托馬斯#8226;邁耶說，他曾是諾西拉的導師，“這種進步只是一個研究發現，但不能保證它能夠擴大規模或者甚至將它變得實用。”

其他科學家也并不看好。他們承認，的確，電池儲存的能量遠遠少于化學燃料，但關鍵是，電池要高效得多!因為在使用電力制造燃料，再用燃料產生電力的過程中，每一步都有能量損耗。“集中在改善電池技術要實際得多。既然電解效率不高，那么為什么要做呢?”

“這是未來”

說這些話的人，眼光可能早就放在了克拉澤爾的新型太陽能電池上。

1991年，瑞士洛桑聯邦理工學院教授邁克爾#8226;克拉澤爾(Michael Gratzel)發明出一種同樣被喻為“人工樹葉”的太陽能電池。在這種電池當中，他使用了含釕的染劑，它就像植物中的葉綠素，能夠吸收陽光，釋放電子。

不過，克拉澤爾的太陽能電池并不引發水分解反應。取而代之的是，電子被一個二氧化鈦薄膜收集，并受外部電路的指示，產生電力。“諾西拉將光能直接轉化為電能，而克拉澤爾將光能轉化為化學能。”剛剛加入到國內“人工樹葉”研究行列中的南京工業大學材料學院教授馮曉東說。

馮曉東補充，克拉澤爾的這種所謂“人工樹葉”被公認為最具前景的一種，日本夏普等大企業已經瞄準并投入開發。“這很容易理解，比起單晶硅、多晶硅，它的用料便宜，而且，工序由傳統的15、16步減少到6、7步。”

幸運的是，本身研究“人工樹葉”的克拉澤爾也看中了諾西拉的“葉子”。克拉澤爾已經表示，他想把自己的太陽能電池和諾西拉的催化劑整合到一個設備中去捕獲太陽能，并且，利用它分解水。

這個實現中的裝置，計劃用克拉澤爾的染劑代替諾西拉系統中催化劑圍繞形成的電極。當暴露在陽光中時，染劑本身產生聚集催化劑所需的電壓，催化劑聚集成功后，染劑吸收的陽光就驅動分解水的反應。“這個設備會更加高效、更加廉價。”

也許，這才是未來。