“人工树叶”引世界关注 成里程碑式发明

2011年08月30日

    在很多科学家看来，树叶是利用太阳能的“高手”。如果人类能造出“树叶”，或许能源问题就能得到根本性解决。

　　美国科学家丹尼尔·诺切拉(Daniel Nocera)日前在第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。”这个发明引起了科学界乃至世界各国主流媒体的关注——它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”简介

　　“人工树叶”是一种如扑克牌大小的片状材料，使用方法也非常简单：将它放在水中，暴露在太阳光下，即可将水有效地分解为氧气和氢气，这些气体再被输送到一个分离的燃料电池中储存并发出电力。

　　原理：电解水的过程

　　在说“人工树叶”之前，先让我们来了解一下自然界的树叶是怎么工作的。我们知道，植物是通过光合作用获取生长所需的能量的。这其中的原理非常复杂。简单地讲，树叶中有两套系统：光系统Ⅰ和光系统II。光系统Ⅰ负责吸收二氧化碳，生成植物生长需要的有机物。光系统II负责吸收太阳光，并将水分解为氧气，同时产生质子和电子。事实上，地球上95%的氧气来源于这一过程，而产生的电子和质子将会参与到与二氧化碳的反应中，从而生成淀粉及糖类有机物用于植物生长。当然，这中间还涉及许多复杂的生化反应过程，在这我们不再详细叙述。

　　与我们这一主题相关的是光系统II。在这一过程中，最关键、最复杂、也是最困难的过程就是将水分解为氧气。而在诺切拉教授的报告中提及的“人工树叶”，其核心正是模仿了树叶的这一过程——通过一种化学催化材料，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。在这一过程中所需的电力，将由硅太阳能电池供给。

　　看了上面的介绍，也许有些人会有点失望，所谓“人工树叶”原来就是电解水啊，这不就是我们在高中化学时就学过的反应吗！简单讲，不就是用太阳能发电，再用电解水制氢气和氧气，然后再用氢气和氧气通过燃料电池来发电。

　　其实，诺切拉教授发明的核心就在于他们发现了高效廉价的电解水的电极催化材料，从而使得这一过程的经济性大大增加，让规模化应用成为可能。事实上，关于“人工树叶”的研究可以追溯到十多年前，但由于往往利用铂、钌等贵金属作为催化材料，而且寿命短暂，因此很难进一步进行规模化应用。而诺切拉的研究小组则采用相对廉价的钴、镍等金属化合物以及磷酸盐作为电极催化材料，不仅催化效率远高于传统材料，而且寿命更长、更稳定，使成本大大降低。