在科學(xué)家的眼中，樹葉能完成光合作用，是利用太陽能的“高手”，人類所需的氧氣、食物和能源都來自于自然界的光合作用。綠色植物都可以通過綠葉的光合作用酶吸收太陽光，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物，同時(shí)放出氧氣。然而，任何一片綠葉都能做的這種最簡(jiǎn)單最普通的“工作”，對(duì)于科學(xué)家而言卻是最具挑戰(zhàn)的課題?？茖W(xué)家們一直希望構(gòu)建一個(gè)利用太陽能直接全分解水并放出氧氣和氫氣的人工光合作用系統(tǒng)，讓高能量的氫氣燃燒后生成水，讓人類能夠使用清潔能源。

不久前，中科院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及潔凈能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究者在人工光合研究項(xiàng)目上取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了利用太陽光分解水制氫氣和氧氣的反應(yīng)。研究者在研究中提出了復(fù)合人工光合體系的理念，試圖雜化集成自然和人工光合體系的優(yōu)勢(shì)，建立自然光合和人工光合的復(fù)合雜化體系，以實(shí)現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的高效轉(zhuǎn)化，并揭示自然光合體系的奧秘。圍繞這一理念，團(tuán)隊(duì)先后構(gòu)建了雜化體系，實(shí)現(xiàn)了高效產(chǎn)氫、氫轉(zhuǎn)移及二氧化碳加氫等還原反應(yīng)，為發(fā)展全分解水體系奠定了基礎(chǔ)。

試驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)利用光合酶PSII和人工光催化劑的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了植物PSII酶和半導(dǎo)體光催化劑的自組裝成雜化光合體系，在可見光照射下實(shí)現(xiàn)了分解水生產(chǎn)氫氣和氧氣。他們將裝有催化劑的燒瓶置于戶外陽光下，就可以分解水放出氫氣。有關(guān)專家認(rèn)為，這項(xiàng)研究為進(jìn)一步構(gòu)建和發(fā)展自然—人工雜化的太陽能高效光合體系提供了思路。

與中國(guó)科學(xué)家的方法不同，美國(guó)科學(xué)家目前通過模仿一棵樹的能量轉(zhuǎn)換過程，開發(fā)出了一種高效的太陽能制氫技術(shù)。該技術(shù)水解氫氣的效率比傳統(tǒng)技術(shù)高兩倍以上，且能十分方便地安裝在湖泊、海洋和陸地上，為氫燃料的制備提供了一個(gè)新的選擇。對(duì)于水解制氫技術(shù)，世界各地的科學(xué)家們已經(jīng)探索了多年，但這些技術(shù)大都需要將光催化劑淹沒在水中。由于陽光在與水面接觸后會(huì)發(fā)生折射和衍射，這極大限制了這些技術(shù)的制備效率。

新研究中，美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校材料科學(xué)與工程系助理教授王旭東（音譯）與美國(guó)林業(yè)產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室的蔡志勇（音譯）博士專門對(duì)此進(jìn)行了創(chuàng)新。他們?cè)噲D通過模仿樹的能量轉(zhuǎn)化過程來解決這一難題。這一“樹形”設(shè)備的頂部是由纖維素制成的面板和用二氧化鈦介孔材料制成的催化劑涂層，它們能最大限度地獲取陽光并增加水與催化劑接觸的面積；而在這顆“樹”的底部，則是由納米碳纖維（CNFs）組成的龐大“根系”，這些納米碳纖維制成的根系組織能夠?qū)⑺诌\(yùn)輸?shù)巾敳康拇呋瘎叭~子”上，在那里，水會(huì)被分解成氫氣和氧氣。整個(gè)過程與樹木的光合作用極為相似。由于催化劑不會(huì)完全淹沒在水中，同時(shí)又保證與陽光的充分接觸，這種技術(shù)不但大大加快了水分解的時(shí)間，效率也比傳統(tǒng)技術(shù)要高的多。

美國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在世界范圍內(nèi)第一個(gè)采用了基于納米碳纖維材料的催化劑涂層技術(shù)，該技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比還具有極為優(yōu)異的親水性能?！霸诘孛嫔戏胖靡粋€(gè)盛水的容器就能通過該技術(shù)獲取氫燃料，如果能將這種裝置架設(shè)到湖泊或是海洋上將會(huì)更為便利。該技術(shù)有望最大限度地消除水面環(huán)境的局限性，最大限度地提高太陽能的轉(zhuǎn)化效率。以這種技術(shù)建立的制氫工廠既能建立在陸地上，也能建在水體上?！彼f。

接下來，王旭東和他的合作者希望制造一個(gè)更大規(guī)模的原型。該項(xiàng)目由美國(guó)能源部資助，目前美國(guó)林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室正在為該技術(shù)申請(qǐng)專利。