■ 李忠東 編譯

用太陽能制造富含能量的化學燃料

植物的葉片是大自然的杰作，科學家們從中受到啟示的同時引發(fā)了無窮的遐想。經過多年的攻關，美國科技人員終于研發(fā)出能夠進行太陽能轉化的“人造樹葉”，在利用太陽能合成化學燃料方面邁出了關鍵的一步。隨著新研究工作的不斷改進和日臻完善，科學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，且不會產生溫室氣體。

去年3月27日第241屆美國化學學會全國大會上，美國麻省理工學院的科學家宣布，他們已經研制出第一片可產生清潔能源的“人造樹葉”。由于“人造樹葉”可以利用光合作用把陽光和水轉變成能量，因此這項突破意義重大，為世界打開了一扇發(fā)展能源新技術的大門，減少人類對化石能源的依賴，對應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在美國被稱為“人工模擬光合作用”的研究。2008年《科學》雜志(Science)報道了他的有關研究之后，更受到廣泛關注。這位科學家的研究進展在得到科技界肯定的同時也飽受質疑。很多研究人員認為，由于效率和成本的原因，諾塞拉的成果只適合實驗室研究，不可能走向應用。在質疑聲中，他又經歷了3年的艱苦探索，終于在241屆美國化學學會全國大會上展示了“人造樹葉”良好的應用前景。

電力作為能源的一種載體，難以大量儲存是其一大缺點。這就意味著電不能夠應用于多數重工業(yè)以及航空和重型卡車等大型運輸業(yè)中。長期以來，研究人員一直在設法利用太陽能來制造富含能量的化學燃料，如氫氣、甲烷和汽油等,以便能夠隨時隨地燃燒。盡管研究人員曾經證明這個目標是可以達到的，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腦筋的人望而卻步?！皞鹘y(tǒng)的太陽電池板造價并不昂貴?！敝Z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?！?/p>

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，經過太陽光的照射，水被分解為氧氣和氫氣，這些氣體儲存起來可用于發(fā)電。

早在1998年，美國科羅拉多州國家可再生能源實驗室的約翰·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，釋放的氫和氧產生電流。但砷化鎵素有“半導體貴族”之稱，造價太昂貴，因此沒法進入實用領域。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”的最大特點是實用性，由于所用材料價格低廉，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”的基礎材料依然是硅，只不過運用的是三結非晶硅。雖然在轉換效率上不如傳統(tǒng)的晶體硅，但這種非晶硅價格低廉、耗能少，更利于推廣。同時，疊層的設計將非晶硅分子用磷酸鹽加以固定，不但保證了分解水時所需要的能量，還增加了穩(wěn)定性。

在催化劑的選擇上，諾塞拉使用的是鈷。和需要不斷修復和代謝的錳基相比，鈷有強大的“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。這彌補了20多年前第一片“人造樹葉”的先天不足。據說，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

“歸根結底，我們所能得到的唯一可持續(xù)的能源形式就是太陽能?！庇茉囱芯恐行某绽硎录s翰·勞赫德說道。他非?？春谩叭嗽鞓淙~”這一設想的前景，并認為從大規(guī)模推廣利用方面來說，也是可行的。

“我們的目標是讓一片‘人造樹葉’成為一戶家庭的發(fā)電站，讓每一個家庭擁有自己的發(fā)電站?！敝Z塞拉展望道，“可以設想，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的基礎發(fā)電系統(tǒng)。”

諾塞拉曾經暢想，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生氫燃料的手段，那么只需要每秒鐘把麻省理工學院游泳池水的1/3分解，就能為世界提供能源?！叭缃?，這個夢想似乎近在咫尺，但還將面臨許多嚴峻的工程?！?這位化學家和能源學家指出，“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它們，以備在沒有陽光時使用?！?/p>