人造樹葉誕生 模擬光合作用實現太陽能轉換
時間:2010-03-22 21:09 《科技日報》 點擊:次 我要評論（）
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眾所周之，太陽光中蘊藏著巨大的能量，并且太陽能是不會產生溫室氣體污染的清潔能源，但是由于在晚間或陰雨天氣下沒有直接的太陽照射，需要借助太陽能板將晴天的太陽能儲存起來。這種儲存技術目前來說成本過高，效率過低，嚴重阻礙了太陽能大規模取代化石類燃料的進程，因此，提高現有太陽能儲存技術是太陽能發展的關鍵。
一場生動的展示
在美國麻省理工學院禮堂內，坐滿了科學家和美國政府部門負責能源問題的官員。講臺上，麻省理工學院化學系教授丹尼爾·羅塞拉正在通過視頻展示他的最新研究成果，禮堂的燈光調得很暗，水槽內浸著一塊條狀材料，材料周圍不斷有大量氣泡冒出。丹尼爾正在激動地說明：“這些氣泡就是水槽中的水分解后產生的氧氣，這個裝置代表了我們的未來，我們已經獲得了人造樹葉，像真正綠色植物的樹葉一樣通過光合作用將太陽光中的能源充分利用，轉化為我們需要的能量。”
實際上，丹尼爾教授展示的正是利用光合作用原理將水分解成氧氣和氫氣的化學反應裝置，由于丹尼爾教授成功研發出一種催化劑，利用這種催化劑，水分解的化學反應首次可以在常溫下進行，從而克服了利用水制成氫氣這一重要反應中最困難的一個難題。這個成果的重要意義更在于，利用太陽能發電的主要障礙將被克服，太陽能可能取代石油成為最主要的能源。
在丹尼爾的研究中，太陽光照射下，水分解成氫氣，而氫氣是一種用途多樣容易儲存的燃料，可以密封在內燃機內，也可以與燃料電池中的氧氣重新結合，更重要的是，如果該設想用在海水中，太陽能不僅能分解海水產生電能，更能使得分解后的氫氣與氧氣重新結合而形成寶貴的淡水。
模擬光合作用儲存太陽能的技術早在上世紀70年代初就進入了科學家的視線。幾十年來，研究人員一直在嘗試復制綠色植物分解水的方式。利用化學方式，科學家早已能夠完成水的分解反應，但這些化學反應條件非常苛刻，溫度很高，溶液具有腐蝕性很強的堿性，而且催化劑需要用到鉑等稀有而昂貴的化合物。丹尼爾的設計就像光合作用一樣，分解水的反應在室溫下就可進行，溶液也沒有腐蝕性，更重要的是催化劑非常便宜，可以很容易地得到氫氣和氧氣。
丹尼爾認為可以從兩個方面利用他的這個研究突破。一種是，利用傳統的太陽能板捕獲太陽能發電，利用這些電能將電解槽中的水分解，這些電解槽中放有丹尼爾研制的催化劑。另一種是，設計一個系統，這個系統完全模擬樹葉的結構，將催化劑與特制的染料分子間隔著緊密排列，燃料吸收太陽光捕獲能量，這些能量幫助催化劑啟動水的分解反應。無論哪種設計，當水分解成氫氣后，太陽能就儲存到氫氣燃料中了，這樣無論夜間還是陰雨天，儲存的氫氣可以代替太陽光為我們發電。
太陽能開發中的暗區
太陽光是世界上潛力最大的可再生能源，但這種巨大潛力在變成現實的過程中困難重重，其中主要的困難就是太陽能板無法在夜間或陰雨天繼續工作，因此現在安裝的太陽能板往往需要與電網連接，以便在太陽能板無法工作的條件下利用電能滿足需要。
太陽能的這種不連續性和不可靠性制約了太陽能的普及，到現在為止，美國用戶中太陽能的利用占整個電力生產的比例不到1%%。為了擴大太陽能的使用比例，必須解決太陽能的這種不可靠性。思路有兩個，要么在太陽能以外提供其他的能量供應，比如天然氣或電能；要么將太陽光充足時的太陽能儲存起來。前者目前比較便宜，而儲存太陽能目前的技術成本太高，無法與前者競爭。
為了降低成本，必須加大太陽能的使用范圍，通過增加規模效應來降低成本，也就是說，要想使太陽能成為基本的電力來源，必須擁有可負擔得起的太陽能儲存技術。但是現有技術并不能滿足足夠規模的儲存條件，以目前最便宜的儲存技術為例，用電能將水通過水泵抽到高處，再讓這些水通過渦輪發電，這種技術的效率是每千克水抽高100米儲存的能量大約有1千焦，而1千克汽油含有的能量就有4.5萬千焦。而且這種儲存能量的方式往往需要建設大量的水壩和水庫，水庫每天都需要抽干和充滿一次水，在美國亞利桑那州和內華達州這些太陽光特別充足的地方，找到足夠的水源又是一個問題。
另外，利用電池儲存太陽能也非常昂貴。通常，一個家用太陽能系統如果安裝儲存太陽能的電池，成本就會增加1萬美元，而且電池儲存的能量比汽油和氫氣等化學物質少很多。目前最好的電池每千克也只能儲存300瓦時的能量，而汽油每千克能儲存的能量高達1.3萬瓦時。
所有數據表明，化石類燃料是儲存大量能量的唯一選擇，而所有石化燃料中，氫氣不僅是最清潔的，而且單位重量所儲存的能量也是最多的，相同重量所儲存的能量是汽油的3倍，唯一的缺點是以氣態存在，會占據較多的空間。因此，丹尼爾模擬光合作用的方式，可能會解決利用氫氣更便宜更高效儲存太陽能的難題。
模擬植物光合作用
綠色植物的光合作用原理，就是利用葉綠素捕獲太陽能，然后利用太陽能啟動一系列復雜的化學反應，通過這些化學反應將水和二氧化碳轉化成淀粉和多糖等能量豐富的碳水化合物。研究人員模擬光合作用的研究重點主要集中在光合作用的第一步，即蛋白質和無機催化劑如何共同作用，幫助植物中的水分高效分解成氧離子和氫離子。
早在上世紀70年代初，日本東京大學一位研究生最先證明，利用二氧化鈦（白色涂料的組分）制作的電極，500瓦氙燈產生的強光能夠將水慢慢分解，這一發現首次證明光能夠被用來分解植物外的水分。1974年，美國北卡羅來納大學化學系教授湯姆斯·梅爾證明，釕金屬涂料能夠在光能作用下發生化學變化，使水失去電子，幫助完成水分解反應最開始的重要一步。
雖然這兩種技術最終證明沒有實用性，二氧化鈦不能吸收足夠量的太陽光，梅爾實驗中的釕涂料在光作用下的化學形態存續時間太短，只是瞬間態，但是兩項科研成果激發了科學家們的想象力，眾多科學家開始了模擬光合作用的研究。
幾十年來，科學家們已經通過研究弄明白了植物吸收太陽光和儲存能量所需要的特殊結構和物質，但是反應所涉及的詳細機理還沒有弄清楚，直到2004年，英國倫敦皇家學院的研究人員才證明，植物光合作用中水中氧分子得以分離的關鍵在于一組特殊結構的蛋白質和金屬，催化劑的核心組分是蛋白質、氧原子、鎂離子和鈣離子以特殊方式結合后形成的。
丹尼爾從1984年開始就一直從事光合作用背后的化學反應研究。剛開始，他連“如何從水中分離氧”這一最重要的問題都無法解決，于是開始改變思路，通過逆向思維，研究如何將氧離子與電子結合合成水，結果發現，某些含鈷的化合物是這類反應比較好的催化劑，當他反過來重新研究水分解反應的時候，選擇了同樣的鈷化合物作為催化劑。
鈷化合物在水中很容易溶解后將鈷分離，所以無法對這些鈷化合物的催化作用進行研究，丹尼爾于是大膽選用磷酸鈷代替那些復雜的鈷化合物，直接驗證鈷對水分解反應的作用。將電極浸在含有磷酸鈷的水溶液中，當通上電流后，鈷離子和磷酸根離子會聚集在電極上并形成一層非常薄的薄膜，幾分鐘后電極上就會形成一層濃厚的氣泡，進一步的試驗證明，這些氣泡就是水分解后產生的氧氣。丹尼爾和他的同事們沒有想到，磷酸鈷這么簡單的化合物能夠取代植物光合作用中的復雜化合物，催化水的分解反應。
而這個簡單的催化劑正是科學家們需要的，有了它，就能夠在光合作用一樣的室溫條件下將水分解成氧氣和氫氣了。丹尼爾接下來準備繼續研究其他金屬的催化作用，并且利用這些金屬催化劑設計出分解水的電池。
能量巨大的人造樹葉
丹尼爾的研究一經公布，立即引來一些人的質疑，這些質疑主要集中在，丹尼爾的研究成果不能保證規模化運作，即無法實現實際運用。
首先，對于設計電池的運用，一般情況下，電流越大，催化劑使水分解成氧氣的速度越快，目前丹尼爾的電極所產生的電流每平方厘米只有1毫安，而商業化運作目標的電極通常需要每平方厘米1000毫安的電流，這個差距相當大。
另外對于儲存太陽能，丹尼爾的原理需要將太陽能轉化成電能，再轉化成化學能，然后再轉化成電能，這些步驟會浪費掉太多的能量，影響太陽能的轉換效率。相關人士表示，現在需要做的是改進電池技術或電能儲存技術，而不是設計水分解器和燃料電池，電解槽效率太低，丹尼爾的研究沒有超越。
縱然有諸多質疑，丹尼爾的研究更多的是得到同行的肯定。相關專家認為，丹尼爾的設計可以真正模擬樹葉的光合作用原理，是“人造樹葉”。作為催化劑的涂料本身像一根分子電線，當陽光照射時，涂料電極能夠產生電壓，分子電線能夠導電，被涂料吸收的太陽光能夠驅動水分解的反應。人造樹葉比單獨使用太陽能板和電極來得更加便宜，能量轉化效率也更高。
另外一個重要意義在于，丹尼爾的催化劑可以用來分解海水。初步試驗證明，這些催化劑在鹽水中仍然保持催化活性，這樣的話，丹尼爾的實驗成果不但能夠解決能源危機，還能幫助解決全世界淡水嚴重短缺的問題。
作者：聶翠蓉
（責任編輯：未予）
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