人工“树叶”：将阳光变成燃料

广州日报,2012-07-14

这是一片奇特的“树叶”：它没有绿油油的颜色，没有好看的各种形状，没有纵横交错的叶脉，而是表面光滑，形状规整，乍一看更像一个电子元件……然而，它能模拟树叶进行光合作用，为人类提供源源不绝的能源。它有一个形象的名字：人工“树叶”。

最近，美国化学学会期刊《化学研究报告》刊登了第一片实用型人工“树叶”研发过程的详细描述。与早前的研究成果不同，该“树叶”由价格较为低廉的原料制成，这被一些研究者视作人类追求可持续发展能源道路上的一个里程碑。有研究者展望它在未来能走进寻常百姓家。其工作原理是怎样的呢？它离我们还有多远?

“神”似而形不似的人工“树叶”

人工“树叶”，又称人造树叶、人工叶片。这种最新的实用型人工“树叶”只有扑克大小，看起来不是一片绿油油的“叶子”，而是两边分别胶合了不同材料的催化剂的硅太阳能电池。把人工叶片放到水中并且有阳光照射的地方，就能够很快产生水泡，“叶子”的一侧产生的是氧气泡，而另一侧则是氢气泡。只要将“叶子”两边做隔离处理，便能够收集并存储产生的气体，以供日后使用。例如，可以将它们输出到燃料电池中并在其内部重新合成水，便能够产生电流。

把阳光、水 变成氧气、氢气

早在1912年，一位著名的意大利化学家就预言说，终有一天科学家们会揭开“植物隐藏的秘密”。十多年前第一片“人工叶片”的横空出世，与这位化学家的设想完全相符。但该装置由贵重的金属材料制成，且性能很不稳定，未得到广泛应用。

如今，来自麻省理工大学的研究者Nocera带领他的团队发明了最新的实用型人工叶片，大大推进了这一领域的研究。这种设备会在一个类似太阳能收集板的装置上产生温和的电流，这种电流可以促成化学反应，使水中的氢和氧分离，分离出的气体可用作燃料，或是充当电池。“这种人工叶片有一个阳光收集器，它置于两块能产生氧气和氢气的薄片中。当把叶片放入阳光下的一瓶水中，它就开始产生气泡，释放出可用于燃料电池中产生电流的氢。”Nocera说。

他们的研究过程并非一帆风顺。为了降低生产成本，Nocera和他的同事发明了一个较为廉价且更为可行的新型模型——利用镍锌等元素作为氢反应的催化剂，并用一层薄薄的钴来制造氧气。最初，叶片形成了一层薄薄的金绿色，两位科学家以为实验失败了，但过了一段时间，一小团氧气泡竟然冒了出来。他们意识到，“树叶”本身是没有化学反应的，它只是在不断地重组着自身的化学物质。如果拥有可以自我修复的催化剂，就可以完成类似树叶光合作用的过程，也是钴元素和磷酸盐证实了这一猜想。

对于人工叶片，Nocera正在思考下一个可能的发展方向：使用由相同的材料构成的小粒子，这些材料能够在阳光下分解水分子，这会使得它们更像具有光合作用的藻类而不是叶子。他认为，其优势在于小粒子在阳光下和水中会有更大的表面积，就能更充分地吸收阳光。就目前而言，这个新发明还不能完全做成商品，因为在系统的采集、存储以及气体的后续使用方面仍需要进一步的研究。

人工“树叶”离我们还有多远？

目前，关于人工树叶的研究主要集中在两个方面：如何“尽可能地降低系统成本”以及寻找提高系统效率的方法。既能提供电力，又能制造燃料，这对发展中国家和一些偏远地区是个巨大吸引。研究者Nocera认为：“从本世纪中叶开始，人们在不断拉动着庞大的能源需求，若发明出类似人工叶片的能量转换装置，是一条通往未来可持续能源的最直接道路。”

中科院广州能源所首席科学家袁振宏研究员在接受本报专访时表示，人工叶片目前还只是处于基础研究阶段，即使成本已有所降低，却还远不能成为普通家庭可以在经济上承受得起的替代能源。因此，在目前甚至在“较近的未来”，这也还属于一种科学构想，离实际应用还有很远的路要走，但对于“长远的未来”，这确实是一个重要的研究方向，对人类开发太阳资源具有重大意义。

效率低：暂不能媲美太阳能电池

袁老师指出，人工叶片虽然看起来有点像我们用的太阳能电池，但就电能而言，事实上它的太阳能转化效率并没有太阳能电池高。“传统的太阳能电池，其太阳能转化为电能的效率大约是20%左右，高的甚至有30%。人工叶片是要模拟植物的光合作用，即利用太阳能量实现二氧化碳和水到有机质的过程，在自然界，植物的光合作用效率也只有1%左右，最好的农作物也不超过4%，人工叶片要完成这样的过程，效率也不会比太阳能电池高，所以仅就效率来说，它是没有优势的。”他说，“它的优势在于，通过模拟植物转化出来的是燃料，而不是电能，电能的运用面较为狭窄，而有了燃料就等于有了一切。但仅以现在的科技水平，人工叶片的研究还停留在光解水产生氧和氢，还未与二氧化碳转有机质这个过程整合起来。”

虽然人工叶片的应用现在还是一个美好设想，但袁老师认为，新研究仍具重大意义：它对于以后更好地利用氢固定二氧化碳合成有机质、模拟植物（人工光合作用）、建立“细胞工厂”等均是一个良好开端，值得重点研究。

成本高：期待出现更廉价的无机催化剂

人工叶片模拟光合作用系统，比太阳能电池优越的地方，就是将水分解成氢气和氧气。氢作为能源，其作用有很多，但目前主要应用于工业方面。袁老师表示，这项新技术无法普及的主要原因还是因为成本太高，无论是氢燃料电池还是光解水产氢装置，对于普通大众来说都还太昂贵。“比如一台汽油动力的桑塔纳汽车，大约十万左右能买到，而一台氢气动力的、用燃料电池的桑塔纳汽车，至少得一百万才能买到，而且光解氢比汽油还贵，一般家庭肯定无法使用。”

植物的光合作用，整个反应系统都在叶片的细胞中，其中起到最关键作用的，是受到细胞液保护从而不失活性的酶。袁老师认为，如果能有一种活性比生物酶更好人造酶，或者能有廉价无机催化剂替代贵金属催化剂，去代替生物酶，整个效率就会大幅提高，成本的问题也就会解决，普及应用也指日可待了。

当然，除了“效率”和“成本”问题之外，污染问题也必须考虑在内。因为在此过程中毕竟使用了无机催化剂，这也是未来该领域研究的重心之一。当然，相比传统的污染，人工叶片的污染会更小，因为它本身就是电解水产生氧和氢，这两种气体本来是无害的，需要考虑的问题是催化剂废弃物的处理和回收，在袁老师看来，科技完全能够解决这个问题。

对太阳能的利用仍太少 未来或能造就“无火厨房”

“太阳能”廉价而实用，是现今能源中最有望成为替代能源的一种。太阳在一小时内提供给地球的能量比整个世界一年所消耗的能量还要多。因此，如何开发更具创新性和更高效的太阳能利用装置，并合理完成太阳能的储存和分配，是科学家一直钻研的课题。

袁老师告诉记者，现在我们对太阳能的利用除了发电之外，还有产热，例如太阳能热水器等等。另外，一项比较新的技术是太阳能转化为生物质能——通过自然界的植物，如粮食作物、树木，或者细菌等生物，将太阳能转化为生物质能，而生物质能作为一种有机质，就可以产生多种多样的能源，用途是极其广阔的。

“人类现在对太阳能的利用还是太少，未来随着技术越来越成熟，我们对这些新能源的利用会更多。比如说一栋房子，墙壁全用太阳能材料制成，可以转化成热能和电能，冬天取暖，夏天制冷；再比如太阳能聚光器，通过一定方式，把这种高密度的光传导到厨房，这样就可以实现‘无火厨房’了。”袁老师表示。但就现在的技术来说，人类不能大规模利用太阳能的关键在于储能装置，太阳能相对不稳定，而目前的储能设备还存在能量密度低、造价昂贵等瓶颈问题，无法大规模应用到百姓的家庭生活中，但他相信这些问题在未来都会得到解决。

寻找可再生资源？到自然界寻找“灵感”

英国格拉斯哥大学的Richard Cogdell认为，人工叶片是一个不错的概念，也许分子反应的过程很复杂，但是原理基本上人人都能明白。利用这项技术生产出来的设备可能会更接近家庭，从而使人们看到了可持续能源技术领域发展的走向——不妨从自然界中获得灵感。

化石燃料不是可持续能源，人类必须打破对其的依赖。而可再生能源是一种新兴的能源，这种能源的出现代表着对传统能源的革新和进步。袁老师表示，刚开始发展可再生能源的时候会遇到一些困难，无论是风能、太阳能，还是地热能、生物质能等，都会与传统能源产业产生一定的碰撞。然而，随着京都议定书等国际文件的签订以及二氧化碳减排等国际大趋势的发展，世界各国对可再生能源、可持续发展的能源将会越来越重视。因此，可再生能源的发展道路正逐渐明朗，这是历史发展的必然规律，也是人类生存的一种必然需求。