從陽光獲取燃料的“人造樹葉”

■ 李忠東 編譯

用太陽能制造富含能量的化學(xué)燃料

植物的葉片是大自然的杰作，科學(xué)家們從中受到啟示的同時(shí)引發(fā)了無窮的遐想。經(jīng)過多年的攻關(guān)，美國科技人員終于研發(fā)出能夠進(jìn)行太陽能轉(zhuǎn)化的“人造樹葉”，在利用太陽能合成化學(xué)燃料方面邁出了關(guān)鍵的一步。隨著新研究工作的不斷改進(jìn)和日臻完善，科學(xué)家們有望利用地球上最豐富的可再生能源，為工廠和汽車等能源消耗“大戶”源源不斷地提供能源，且不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。

去年3月27日第241屆美國化學(xué)學(xué)會(huì)全國大會(huì)上，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家宣布，他們已經(jīng)研制出第一片可產(chǎn)生清潔能源的“人造樹葉”。由于“人造樹葉”可以利用光合作用把陽光和水轉(zhuǎn)變成能量，因此這項(xiàng)突破意義重大，為世界打開了一扇發(fā)展能源新技術(shù)的大門，減少人類對化石能源的依賴，對應(yīng)對全球氣候改變有著不可估量的作用。

從1984年起，諾塞拉一直致力于這項(xiàng)在美國被稱為“人工模擬光合作用”的研究。2008年《科學(xué)》雜志(Science)報(bào)道了他的有關(guān)研究之后，更受到廣泛關(guān)注。這位科學(xué)家的研究進(jìn)展在得到科技界肯定的同時(shí)也飽受質(zhì)疑。很多研究人員認(rèn)為，由于效率和成本的原因，諾塞拉的成果只適合實(shí)驗(yàn)室研究，不可能走向應(yīng)用。在質(zhì)疑聲中，他又經(jīng)歷了3年的艱苦探索，終于在241屆美國化學(xué)學(xué)會(huì)全國大會(huì)上展示了“人造樹葉”良好的應(yīng)用前景。

電力作為能源的一種載體，難以大量儲(chǔ)存是其一大缺點(diǎn)。這就意味著電不能夠應(yīng)用于多數(shù)重工業(yè)以及航空和重型卡車等大型運(yùn)輸業(yè)中。長期以來，研究人員一直在設(shè)法利用太陽能來制造富含能量的化學(xué)燃料，如氫氣、甲烷和汽油等,以便能夠隨時(shí)隨地燃燒。盡管研究人員曾經(jīng)證明這個(gè)目標(biāo)是可以達(dá)到的，但是那些制造方法一直效率低下，而且成本也居高不下，這讓很多在太陽能上動(dòng)腦筋的人望而卻步。“傳統(tǒng)的太陽電池板造價(jià)并不昂貴。”諾塞拉解釋說，“它的大部分開銷都在于布線，而‘人造樹葉’很好地解決了這一問題。”

圖1 “人造樹葉”是一塊高級的太陽電池

“人造樹葉”的光合效率是自然樹葉的10倍

雖然這種“人造樹葉”是以真正的樹葉為原型研制的，但是跟自然界的橡樹、楓樹和其他綠色植物的葉子不同，它的外形很像撲克，且比撲克更薄。所謂的“人造樹葉”，只是一塊高級的太陽電池。其模擬真實(shí)植物的光合作用原理：用人工材料制成小巧輕薄的片狀，浸泡在水中，經(jīng)過太陽光的照射，水被分解為氧氣和氫氣，這些氣體儲(chǔ)存起來可用于發(fā)電。

早在1998年，美國科羅拉多州國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的約翰·特納博士就研制出了世界上第一片“人造樹葉”。特納用砷化鎵為材料制成的“人造樹葉”來分解水，釋放的氫和氧產(chǎn)生電流。但砷化鎵素有“半導(dǎo)體貴族”之稱，造價(jià)太昂貴，因此沒法進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域。諾塞拉的最新研究部分地解決了這一問題，這片來自馬薩諸塞州的“人造樹葉”的最大特點(diǎn)是實(shí)用性，由于所用材料價(jià)格低廉，未來它有可能成為超市貨架上的“商品”。

圖2 “人造樹葉”的硅涂層采用便宜的催化劑可以分解水生成氫和氧

同傳統(tǒng)太陽電池板一樣，“人造樹葉”的基礎(chǔ)材料依然是硅，只不過運(yùn)用的是三結(jié)非晶硅。雖然在轉(zhuǎn)換效率上不如傳統(tǒng)的晶體硅，但這種非晶硅價(jià)格低廉、耗能少，更利于推廣。同時(shí)，疊層的設(shè)計(jì)將非晶硅分子用磷酸鹽加以固定，不但保證了分解水時(shí)所需要的能量，還增加了穩(wěn)定性。

在催化劑的選擇上，諾塞拉使用的是鈷。和需要不斷修復(fù)和代謝的錳基相比，鈷有強(qiáng)大的“自組裝”能力，它能讓自己分分合合，不需要再加入額外的材料。這彌補(bǔ)了20多年前第一片“人造樹葉”的先天不足。據(jù)說，諾塞拉的這片葉子的光合效率大約是自然樹葉的10倍。

太陽能是唯一可持續(xù)的能源形式

“歸根結(jié)底，我們所能得到的唯一可持續(xù)的能源形式就是太陽能。”英國能源研究中心常務(wù)理事約翰·勞赫德說道。他非常看好“人造樹葉”這一設(shè)想的前景，并認(rèn)為從大規(guī)模推廣利用方面來說，也是可行的。

“我們的目標(biāo)是讓一片‘人造樹葉’成為一戶家庭的發(fā)電站，讓每一個(gè)家庭擁有自己的發(fā)電站。”諾塞拉展望道，“可以設(shè)想，在不久的將來，那些印度和非洲的村莊將有能力購買基于這種技術(shù)的基礎(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)。”

諾塞拉曾經(jīng)暢想，如果科技人員能夠開發(fā)出一種可承受的、有效的、利用太陽能來分解水和產(chǎn)生氫燃料的手段，那么只需要每秒鐘把麻省理工學(xué)院游泳池水的1/3分解，就能為世界提供能源。“如今，這個(gè)夢想似乎近在咫尺，但還將面臨許多嚴(yán)峻的工程。” 這位化學(xué)家和能源學(xué)家指出，“目前，‘人造樹葉’遇到的最大挑戰(zhàn)是如何捕捉氧和氫并存儲(chǔ)它們，以備在沒有陽光時(shí)使用。”