从阳光获取燃料的“人造树叶”

■ 李忠东 编译

用太阳能制造富含能量的化学燃料

植物的叶片是大自然的杰作，科学家们从中受到启示的同时引发了无穷的遐想。经过多年的攻关，美国科技人员终于研发出能够进行太阳能转化的“人造树叶”，在利用太阳能合成化学燃料方面迈出了关键的一步。随着新研究工作的不断改进和日臻完善，科学家们有望利用地球上最丰富的可再生能源，为工厂和汽车等能源消耗“大户”源源不断地提供能源，且不会产生温室气体。

去年3月27日第241届美国化学学会全国大会上，美国麻省理工学院的科学家宣布，他们已经研制出第一片可产生清洁能源的“人造树叶”。由于“人造树叶”可以利用光合作用把阳光和水转变成能量，因此这项突破意义重大，为世界打开了一扇发展能源新技术的大门，减少人类对化石能源的依赖，对应对全球气候改变有着不可估量的作用。

从1984年起，诺塞拉一直致力于这项在美国被称为“人工模拟光合作用”的研究。2008年《科学》杂志(Science)报道了他的有关研究之后，更受到广泛关注。这位科学家的研究进展在得到科技界肯定的同时也饱受质疑。很多研究人员认为，由于效率和成本的原因，诺塞拉的成果只适合实验室研究，不可能走向应用。在质疑声中，他又经历了3年的艰苦探索，终于在241届美国化学学会全国大会上展示了“人造树叶”良好的应用前景。

电力作为能源的一种载体，难以大量储存是其一大缺点。这就意味着电不能够应用于多数重工业以及航空和重型卡车等大型运输业中。长期以来，研究人员一直在设法利用太阳能来制造富含能量的化学燃料，如氢气、甲烷和汽油等,以便能够随时随地燃烧。尽管研究人员曾经证明这个目标是可以达到的，但是那些制造方法一直效率低下，而且成本也居高不下，这让很多在太阳能上动脑筋的人望而却步。“传统的太阳电池板造价并不昂贵。”诺塞拉解释说，“它的大部分开销都在于布线，而‘人造树叶’很好地解决了这一问题。”

图1 “人造树叶”是一块高级的太阳电池

“人造树叶”的光合效率是自然树叶的10倍

虽然这种“人造树叶”是以真正的树叶为原型研制的，但是跟自然界的橡树、枫树和其他绿色植物的叶子不同，它的外形很像扑克，且比扑克更薄。所谓的“人造树叶”，只是一块高级的太阳电池。其模拟真实植物的光合作用原理：用人工材料制成小巧轻薄的片状，浸泡在水中，经过太阳光的照射，水被分解为氧气和氢气，这些气体储存起来可用于发电。

早在1998年，美国科罗拉多州国家可再生能源实验室的约翰·特纳博士就研制出了世界上第一片“人造树叶”。特纳用砷化镓为材料制成的“人造树叶”来分解水，释放的氢和氧产生电流。但砷化镓素有“半导体贵族”之称，造价太昂贵，因此没法进入实用领域。诺塞拉的最新研究部分地解决了这一问题，这片来自马萨诸塞州的“人造树叶”的最大特点是实用性，由于所用材料价格低廉，未来它有可能成为超市货架上的“商品”。

图2 “人造树叶”的硅涂层采用便宜的催化剂可以分解水生成氢和氧

同传统太阳电池板一样，“人造树叶”的基础材料依然是硅，只不过运用的是三结非晶硅。虽然在转换效率上不如传统的晶体硅，但这种非晶硅价格低廉、耗能少，更利于推广。同时，叠层的设计将非晶硅分子用磷酸盐加以固定，不但保证了分解水时所需要的能量，还增加了稳定性。

在催化剂的选择上，诺塞拉使用的是钴。和需要不断修复和代谢的锰基相比，钴有强大的“自组装”能力，它能让自己分分合合，不需要再加入额外的材料。这弥补了20多年前第一片“人造树叶”的先天不足。据说，诺塞拉的这片叶子的光合效率大约是自然树叶的10倍。

太阳能是唯一可持续的能源形式

“归根结底，我们所能得到的唯一可持续的能源形式就是太阳能。”英国能源研究中心常务理事约翰·劳赫德说道。他非常看好“人造树叶”这一设想的前景，并认为从大规模推广利用方面来说，也是可行的。

“我们的目标是让一片‘人造树叶’成为一户家庭的发电站，让每一个家庭拥有自己的发电站。”诺塞拉展望道，“可以设想，在不久的将来，那些印度和非洲的村庄将有能力购买基于这种技术的基础发电系统。”

诺塞拉曾经畅想，如果科技人员能够开发出一种可承受的、有效的、利用太阳能来分解水和产生氢燃料的手段，那么只需要每秒钟把麻省理工学院游泳池水的1/3分解，就能为世界提供能源。“如今，这个梦想似乎近在咫尺，但还将面临许多严峻的工程。” 这位化学家和能源学家指出，“目前，‘人造树叶’遇到的最大挑战是如何捕捉氧和氢并存储它们，以备在没有阳光时使用。”