這是一片奇特的“樹葉”：它沒有綠油油的顏色，沒有好看的各種形狀，沒有縱橫交錯的葉脈，而是表面光滑，形狀規整，乍一看更像一個電子元件……然而，它能模擬樹葉進行光合作用，為人類提供源源不絕的能源。它有一個形象的名字：人工“樹葉”。
最近，美國化學學會期刊《化學研究報告》刊登瞭第一片實用型人工“樹葉”研發過程的詳細描述。與早前的研究成果不同，該“樹葉”由價格較為低廉的原料制成，這被一些研究者視作人類追求可持續發展能源道路上的一個裡程碑。有研究者展望它在未來能走進尋常百姓傢。其工作原理是怎樣的呢？它離我們還有多遠?
“神”似而形不似的人工“樹葉”
人工“樹葉”，又稱人造樹葉、人工葉片。這種最新的實用型人工“樹葉”隻有撲克大小，看起來不是一片綠油油的“葉子”，而是兩邊分別膠合瞭不同材料的催化劑的矽太陽能電池。把人工葉片放到水中並且有陽光照射的地方，就能夠很快產生水泡，“葉子”的一側產生的是氧氣泡，而另一側則是氫氣泡。隻要將“葉子”兩邊做隔離處理，便能夠收集並存儲產生的氣體，以供日後使用。例如，可以將它們輸出到燃料電池中並在其內部重新合成水，便能夠產生電流。
把陽光、水變成氧氣、氫氣
早在1912年，一位著名的意大利化學傢就預言說，終有一天科學傢們會揭開“植物隱藏的秘密”。十多年前第一片“人工葉片”的橫空出世，與這位化學傢的設想完全相符。但該裝置由貴重的金屬材料制成，且性能很不穩定，未得到廣泛應用。
如今，來自麻省理工大學的研究者Nocera帶領他的團隊發明瞭最新的實用型人工葉片，大大推進瞭這一領域的研究。這種設備會在一個類似太陽能收集板的裝置上產生溫和的電流，這種電流可以促成化學反應，使水中的氫和氧分離，分離出的氣體可用作燃料，或是充當電池。“這種人工葉片有一個陽光收集器，它置於兩塊能產生氧氣和氫氣的薄片中。當把葉片放入陽光下的一瓶水中，它就開始產生氣泡，釋放出可用於燃料電池中產生電流的氫。”Nocera說。
他們的研究過程並非一帆風順。為瞭降低生產成本，Nocera和他的同事發明瞭一個較為廉價且更為可行的新型模型——利用鎳鋅等元素作為氫反應的催化劑，並用一層薄薄的鈷來制造氧氣。最初，葉片形成瞭一層薄薄的金綠色，兩位科學傢以為實驗失敗瞭，但過瞭一段時間，一小團氧氣泡竟然冒瞭出來。他們意識到，“樹葉”本身是沒有化學反應的，它隻是在不斷地重組著自身的化學物質。如果擁有可以自我修復的催化劑，就可以完成類似樹葉光合作用的過程，也是鈷元素和磷酸鹽證實瞭這一猜想。
對於人工葉片，Nocera正在思考下一個可能的發展方向：使用由相同的材料構成的小粒子，這些材料能夠在陽光下分解水分子，這會使得它們更像具有光合作用的藻類而不是葉子。他認為，其優勢在於小粒子在陽光下和水中會有更大的表面積，就能更充分地吸收陽光。就目前而言，這個新發明還不能完全做成商品，因為在系統的采集、存儲以及氣體的後續使用方面仍需要進一步的研究。
（資料圖片）
人工“樹葉”離我們還有多遠？
目前，關於人工樹葉的研究主要集中在兩個方面：如何“盡可能地降低系統成本”以及尋找提高系統效率的方法。既能提供電力，又能制造燃料，這對發展中國傢和一些偏遠地區是個巨大吸引。研究者Nocera認為：“從本世紀中葉開始，人們在不斷拉動著龐大的能源需求，若發明出類似人工葉片的能量轉換裝置，是一條通往未來可持續能源的最直接道路。”
中科院廣州能源所首席科學傢袁振宏研究員在接受本報專訪時表示，人工葉片目前還隻是處於基礎研究階段，即使成本已有所降低，卻還遠不能成為普通傢庭可以在經濟上承受得起的替代能源。因此，在目前甚至在“較近的未來”，這也還屬於一種科學構想，離實際應用還有很遠的路要走，但對於“長遠的未來”，這確實是一個重要的研究方向，對人類開發太陽資源具有重大意義。
效率低：暫不能媲美太陽能電池
袁老師指出，人工葉片雖然看起來有點像我們用的太陽能電池，但就電能而言，事實上它的太陽能轉化效率並沒有太陽能電池高。“傳統的太陽能電池，其太陽能轉化為電能的效率大約是20%左右，高的甚至有30%。人工葉片是要模擬植物的光合作用，即利用太陽能量實現二氧化碳和水到有機質的過程，在自然界，植物的光合作用效率也隻有1%左右，最好的農作物也不超過4%，人工葉片要完成這樣的過程，效率也不會比太陽能電池高，所以僅就效率來說，它是沒有優勢的。”他說，“它的優勢在於，通過模擬植物轉化出來的是燃料，而不是電能，電能的運用面較為狹窄，而有瞭燃料就等於有瞭一切。但僅以現在的科技水平，人工葉片的研究還停留在光解水產生氧和氫，還未與二氧化碳轉有機質這個過程整合起來。”
雖然人工葉片的應用現在還是一個美好設想，但袁老師認為，新研究仍具重大意義：它對於以後更好地利用氫固定二氧化碳合成有機質、模擬植物（人工光合作用）、建立“細胞工廠”等均是一個良好開端，值得重點研究。
成本高：期待出現更廉價的無機催化劑
人工葉片模擬光合作用系統，比太陽能電池優越的地方，就是將水分解成氫氣和氧氣。氫作為能源，其作用有很多，但目前主要應用於工業方面。袁老師表示，這項新技術無法普及的主要原因還是因為成本太高，無論是氫燃料電池還是光解水產氫裝置，對於普通大眾來說都還太昂貴。“比如一臺汽油動力的桑塔納汽車，大約十萬左右能買到，而一臺氫氣動力的、用燃料電池的桑塔納汽車，至少得一百萬才能買到，而且光解氫比汽油還貴，一般傢庭肯定無法使用。”
植物的光合作用，整個反應系統都在葉片的細胞中，其中起到最關鍵作用的，是受到細胞液保護從而不失活性的酶。袁老師認為，如果能有一種活性比生物酶更好人造酶，或者能有廉價無機催化劑替代貴金屬催化劑，去代替生物酶，整個效率就會大幅提高，成本的問題也就會解決，普及應用也指日可待瞭。
當然，除瞭“效率”和“成本”問題之外，污染問題也必須考慮在內。因為在此過程中畢竟使用瞭無機催化劑，這也是未來該領域研究的重心之一。當然，相比傳統的污染，人工葉片的污染會更小，因為它本身就是電解水產生氧和氫，這兩種氣體本來是無害的，需要考慮的問題是催化劑廢棄物的處理和回收，在袁老師看來，科技完全能夠解決這個問題。
對太陽能的利用仍太少
未來或能造就“無火廚房”
“太陽能”廉價而實用，是現今能源中最有望成為替代能源的一種。太陽在一小時內提供給地球的能量比整個世界一年所消耗的能量還要多。因此，如何開發更具創新性和更高效的太陽能利用裝置，並合理完成太陽能的儲存和分配，是科學傢一直鉆研的課題。
袁老師告訴記者，現在我們對太陽能的利用除瞭發電之外，還有產熱，例如太陽能熱水器等等。另外，一項比較新的技術是太陽能轉化為生物質能——通過自然界的植物，如糧食作物、樹木，或者細菌等生物，將太陽能轉化為生物質能，而生物質能作為一種有機質，就可以產生多種多樣的能源，用途是極其廣闊的。
“人類現在對太陽能的利用還是太少，未來隨著技術越來越成熟，我們對這些新能源的利用會更多。比如說一棟房子，墻壁全用太陽能材料制成，可以轉化成熱能和電能，冬天取暖，夏天制冷；再比如太陽能聚光器，通過一定方式，把這種高密度的光傳導到廚房，這樣就可以實現‘無火廚房’瞭。”袁老師表示。但就現在的技術來說，人類不能大規模利用太陽能的關鍵在於儲能裝置，太陽能相對不穩定，而目前的儲能設備還存在能量密度低、造價昂貴等瓶頸問題，無法大規模應用到百姓的傢庭生活中，但他相信這些問題在未來都會得到解決。
尋找可再生資源？到自然界尋找“靈感”
英國格拉斯哥大學的Richard Cogdell認為，人工葉片是一個不錯的概念，也許分子反應的過程很復雜，但是原理基本上人人都能明白。利用這項技術生產出來的設備可能會更接近傢庭，從而使人們看到瞭可持續能源技術領域發展的走向——不妨從自然界中獲得靈感。
化石燃料不是可持續能源，人類必須打破對其的依賴。而可再生能源是一種新興的能源，這種能源的出現代表著對傳統能源的革新和進步。袁老師表示，剛開始發展可再生能源的時候會遇到一些困難，無論是風能、太陽能，還是地熱能、生物質能等，都會與傳統能源產業產生一定的碰撞。然而，隨著京都議定書等國際文件的簽訂以及二氧化碳減排等國際大趨勢的發展，世界各國對可再生能源、可持續發展的能源將會越來越重視。因此，可再生能源的發展道路正逐漸明朗，這是歷史發展的必然規律，也是人類生存的一種必然需求。
Orignal From: 奇特“樹葉”：將陽光變成燃料
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