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人造太陽能樹葉的新設(shè)想

來源：中國科學(xué)報 | 0評論 | 7024查看 | 2014-06-13 17:23:00

　　到目前為止，人類所擁有的最大能量源就是太陽，因此儲存能量的最佳形式就是化學(xué)燃料。必須有人研究人類最大的能量源，并找出儲存能量最有效率的方法。

　　美國加州理工學(xué)院約根森實(shí)驗(yàn)室是人工光合聯(lián)合中心（JCAP）總部——JCAP是一項(xiàng)由能源部（DOE）資助的總價值達(dá)1.16億美元的科研項(xiàng)目，共有研究人員190人，已歷時5年。JCAP的目標(biāo)是設(shè)計出一種人工樹葉，利用陽光促使氫和其他燃料的燃燒效率比生物燃料的燃燒效率更高。

　　研究者如此焦急地推動JCAP項(xiàng)目是有原因的：在所有被排放的溫室氣體之中，約有13%來自交通領(lǐng)域，因此逐步淘汰污染環(huán)境的燃料是環(huán)保事業(yè)的一項(xiàng)核心目標(biāo)。在這點(diǎn)上，JCAP尤其突出，不僅因?yàn)樗嫶蟮囊?guī)模，還因?yàn)樗男坌膲阎尽OE于2010年創(chuàng)立了5家能源創(chuàng)新中心，專門負(fù)責(zé)通過基礎(chǔ)科研解決具體問題，JCAP就是其中之一。JCAP承諾在2015年資金合約到期之前設(shè)計出一款人工樹葉的原型。

　　盡管JCAP已經(jīng)在研究道路上邁出了穩(wěn)健的步伐，但仍然有很長的路要走?？屏_拉多州果登市美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室電化學(xué)家John Turner說：“制造人工樹葉是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的研究項(xiàng)目，雖然回報相當(dāng)豐厚，但卻比所有人一開始設(shè)想的要艱難得多。”但是，大量資金和諸多關(guān)注使得研究者有信心取得最終的成功。

光照獲取

　　無機(jī)化學(xué)家Nathan Lewis是JCAP的科學(xué)主任，他說：“人們希望人造樹葉同時滿足三大需求：效率高、價格實(shí)惠和堅固耐用。現(xiàn)在我們可以同時滿足任意2樣條件，但無法同時滿足所有條件?！?/div>

　　JCAP的任務(wù)就是解決這一問題，并設(shè)計出一種比單純靠太陽能電池板放電分離水分子更廉價的新系統(tǒng)。JCAP設(shè)計的人工樹葉的核心部分是2塊浸入水溶液的電極。通常來說，每一塊電極由半導(dǎo)體材料制作而成，該材料能夠從太陽光譜中捕獲特殊的光能。

　　此外，電極外表還涂有催化劑，用來確保電極以一定的速度產(chǎn)生氫或氧。而JCAP的設(shè)計則與其他人工光合作用設(shè)備一樣，用薄膜將生成的各種氣體隔開，以降低爆炸的風(fēng)險。

　　一旦水發(fā)生分離，氫氣必將出現(xiàn)，它可以單獨(dú)作為原料或與一氧化碳反應(yīng)后變?yōu)橐环N液態(tài)氫碳化合物燃料。

　　設(shè)計人工樹葉的各個元件并讓它們發(fā)揮作用已經(jīng)是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)了，更不要說將所有元件組合在一起確保整個系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好。Lewis說：“這和制造飛機(jī)是一個道理，你不僅需要有性能出色的引擎和電子設(shè)備，設(shè)計科學(xué)的機(jī)翼和機(jī)身，還必須確保各個元件組合在一起后，飛機(jī)可以高效安全地飛行。”

　　在設(shè)計人工樹葉的過程中，最困難的當(dāng)屬尋找最合適的材料。以硅為例子，它是出色的光電陰極材料，但只有當(dāng)處于酸性溶液中時才是穩(wěn)定的。不幸的是，二極管的性能剛好相反，只有當(dāng)處于酸堿度正好的溶液中時，它才是穩(wěn)定的。此外，作為最佳的制造氧氣的催化劑，銥既稀有又昂貴，無法應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。

　　而在尋找合適材料的過程中，最難的是光電陽極材料的選取。電化學(xué)家兼JCAP主管Carl Koval說：“這些電極材料都非常不穩(wěn)定，甚至連1分鐘的穩(wěn)定狀態(tài)都達(dá)不到?！痹S多研究者在研究中采用已知的廉價且運(yùn)行穩(wěn)定的材料，然后把重點(diǎn)放在如何使它們的吸光性更好上。另一些研究者則在研究中采用已知的吸光性好的材料，而把重點(diǎn)放在如何使它們廉價且運(yùn)行穩(wěn)定上。

　　Lewis承認(rèn)，現(xiàn)有的吸光器太貴，無法推廣到市場上，因?yàn)槠浜诵牟糠质怯砂嘿F的單晶硅為材料制作而成的。但是，如果后續(xù)研究證明，價格更低廉的材料能夠勝任工作，那么整個系統(tǒng)將變得非常經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

替代方案

　　Koval指出，JCAP也面臨著一些指責(zé)。一些人認(rèn)為JCAP將重點(diǎn)放到工程建設(shè)和人工樹葉原型設(shè)計上是一個錯誤，如果JCAP建立的初衷是推進(jìn)基礎(chǔ)科研，那么就不應(yīng)當(dāng)按照DOE的意思行事。還有一些人認(rèn)為制作人工樹葉的途徑有很多，為何JCAP卻只選擇其中的一條路來走。

　　Koval說：“許多人認(rèn)為，DOE應(yīng)當(dāng)將資金合理地分配給不同的研究途徑，而不是偏向JCAP?！钡荎oval認(rèn)為，如果把資金分散將會提高風(fēng)險，最終可能什么成果也沒有。

　　盡管如此，許多替代方案正在如火如荼地進(jìn)行。例如，加州圣芭芭拉海岸一家名為HyperSolar的公司正在測試一種新系統(tǒng)，該系統(tǒng)覆蓋有納米級粒子材料，將吸光器和催化劑置于一只透明的、充滿水的塑料袋中。當(dāng)受到光照時，塑料袋會膨脹，在這一過程中，氫氣和氧氣在內(nèi)部生成，這種設(shè)備可以在日照充足的區(qū)域例如沙漠中安置。2009年，DOE在一份報告中預(yù)測，如果這種設(shè)備使用廉價材料，將提高制造氫氣10%的經(jīng)濟(jì)效益，并能保持10年的穩(wěn)定。

　　但Turner分析，該系統(tǒng)也有風(fēng)險，因?yàn)樗谥圃鞖錃獾耐瑫r也在制造氧氣。一旦在沙漠中行車時速高于100英里時，隨時都有爆炸的危險。HyperSolar公司的研究者正在探索解決這一隱患的方法。加州大學(xué)博士后Syed Mubeen是該公司的首席科學(xué)家，據(jù)他透露，其中一種方法是將2種氣體分別裝入不同的透明塑料袋中。另一種方法則是用廢水替代純凈水，在塑料袋中摻入有機(jī)雜質(zhì)。但是，Mubeen認(rèn)為這種方法完全破壞了氧氣的平衡性。與JCAP的穩(wěn)定光電陽極一樣，HyperSolar公司設(shè)計的吸光器也涂有一層保護(hù)材料。

發(fā)布原型

　　春季的某一天，JCAP的研究者在加州大學(xué)伯克利分校工業(yè)區(qū)的臨時實(shí)驗(yàn)室內(nèi)發(fā)布了一款人工樹葉原型系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)并不是研究小組的最佳成果，它無法維持長時間的穩(wěn)定，且效率并不是非常高。但它仍然讓人們備受鼓舞，看到了人工樹葉光明的未來。

　　JCAP的研究者希望這款原型系統(tǒng)能最終促成工業(yè)化生產(chǎn)氫氣的工廠。一些研究者還預(yù)想家用電器或許也能使用該系統(tǒng)，但Lewis警告說，少量的光無法制造出充足的氫氣支持家庭對能源的需求。其他研究者認(rèn)為，人工樹葉技術(shù)可以在缺乏能源基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展中國家大放異彩，為需要能源的地區(qū)提供燃料發(fā)電。

　　與此同時，JCAP的研究者和其他人也在研究其他選擇，全面推進(jìn)研究進(jìn)展。Lewis認(rèn)為，無論哪一種科技最終取得成功，支撐人造光合作用研究的科學(xué)精神都是一致的，那就是堅韌不屈。他說：“到目前為止，人類所擁有的最大能量源就是太陽，因此儲存能量的最佳形式就是化學(xué)燃料。必須有人研究人類最大的能量源，并找出儲存能量最有效率的方法?！?/div>

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