美国科学家发明第一片“人工树叶”

2011-10-21

在许多科学家的眼中，树叶是利用太阳能的“高手”。如果能人工造出“树叶”，能源问题或许就能得到根本性解决。几十年来，研制“人工树叶”一直是科学家们神圣的终极奋斗目标之一。十多年前，美国国家可再生能源实验室的约翰·特纳，发明了第一片“人工树叶”。不过，该装置由贵重的金属材料制成，且性能非常不稳定，因此未得到广泛应用。

最近，这项研究终于有了新进展。美国科学家丹尼尔·诺切拉在第241届美国化学学会的年会上宣布了其研究小组的最新进展一种廉价高效的“人工树叶”。他在报告中说：“将一加仑水和人造树叶放置在阳光下，可以提供发展中国家一个家庭一天的基本用电。”

这种人工树叶原型，可以持续进行光合作用达45小时。该装置形状像扑克牌，但比扑克牌要薄。你只需要将它放入水中，置于阳光下，它便可以将水分解为氢气和氧气，并将这两种气体存储在燃料电池中，以此发电。一加仑的水(约合3.78升)生成的电量足够满足一间房子整天的电力需求。诺切拉说：不久的将来，印度和非洲的贫困村庄都将买得起应用这种技术的电力装置。

这个发明被认为是人类寻找替代能源的征程中一个里程碑式的发明，甚至有人认为这片小小的“树叶”可能将彻底解决未来的能源和与之相关的环境问题。

“人工树叶”通过一种化学催化材料，利用镍和钴，在阳光照耀下进行“半光合作用”，将水在一定的电压下高效地电解为氧气，同时产生质子和电子；产生的质子与电子可以结合，生成氢气，提供一种清洁的能源。比起硅光电池板，这种“人工树叶”显然更便宜。更重要的一点在于：它不“挑食”，所以完全可以把各种废水喂给它用来发电。钴和磷酸盐是强大的而且廉价的新催化剂，该催化剂由镍和钴制成，能在简单的条件下有效地将水分解成氧气和氢气。诺切拉发明的人工树叶进行光合作用的效率大约是自然树叶的10倍。可以乐观地认为，将来人工树叶的光合效率将更高。现在，光合作用是以天然的方式进行并为自然界供能的。未来，光合作用可能也将通过人工树叶的形式造福人类。

该项发明的核心在于发现了高效廉价的电解水的电极催化材料，从而让规模化应用成为可能。

“人工树叶”可以高效储能，并有其他方式无法比拟的优势。白天，将太阳能电池产生的电力通过电解水转化为氢气和氧气，作为化学能储存起来；晚上或阴雨天，又可以随时通过燃料电池将储存的化学能转化为电能。

中国科学家也在进行这项研究。2010年，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的科学家们将“人造叶子”的技术发布在当年的美国科学学会上。这个团队用中国特有的植物打碗碗花做实验，先找到自然叶子收获阳光的结构，再研制一种在功能上替代这种结构的化学物，为这片叶子贴上了“中国制造”的标签。遗憾的是，这些成果都没有进入实用领域，不是因为造价太昂贵，就是因为不稳定易锈蚀。诺切拉最新发布的这片叶子部分地解决了这一问题。

“我们的目标是让每一个家庭拥有自己的发电站。”诺切拉说，“可以设想，在不久的将来，那些印度和非洲的村庄将有能力购买基于这种技术的基础发电系统。”

人们在为这一发明兴奋的同时，还应该清醒地意识到，所谓的“人工树叶”其实还存在着较大的局限性。首先，“人工树叶”并未真正实现自然界早已运行上亿年的树叶的全部功能，它仅仅模仿了树叶中光系统Ⅱ中的局部功能。其次，它的运行也要依赖太阳能电池和燃料电池来完成。再次，它还需要新型的廉价的压缩气体系统以储存所产生的氢气和氧气，然后用于发电。因此，要把这一发明真正规模化应用还有很长的路要走。