在許多科學(xué)家的眼中，樹葉是利用太陽能的“高手”。如果能人工造出“樹葉”，能源問題或許就能得到根本性解決。幾十年來，研制“人工樹葉”一直是科學(xué)家們神圣的終極奮斗目標(biāo)之一。十多年前，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的約翰·特納，發(fā)明了第一片“人工樹葉”。不過，該裝置由貴重的金屬材料制成，且性能非常不穩(wěn)定，因此未得到廣泛應(yīng)用。
最近，這項(xiàng)研究終于有了新進(jìn)展。美國科學(xué)家丹尼爾·諾切拉在第241屆美國化學(xué)學(xué)會(huì)的年會(huì)上宣布了其研究小組的最新進(jìn)展———一種廉價(jià)高效的“人工樹葉”。他在報(bào)告中說：“將一加侖水和人造樹葉放置在陽光下，可以提供發(fā)展中國家一個(gè)家庭一天的基本用電。”
這種人工樹葉原型，可以持續(xù)進(jìn)行光合作用達(dá)45小時(shí)。該裝置形狀像撲克牌，但比撲克牌要薄。你只需要將它放入水中，置于陽光下，它便可以將水分解為氫氣和氧氣，并將這兩種氣體存儲(chǔ)在燃料電池中，以此發(fā)電。一加侖的水(約合3.78升)生成的電量足夠滿足一間房子整天的電力需求。諾切拉說：不久的將來，印度和非洲的貧困村莊都將買得起應(yīng)用這種技術(shù)的電力裝置。
這個(gè)發(fā)明引起了科學(xué)界乃至世界各國主流媒體的關(guān)注。它被認(rèn)為是人類尋找替代能源的征程中一個(gè)里程碑式的發(fā)明，甚至有人認(rèn)為這片小小的“樹葉”可能將徹底解決未來的能源和與之相關(guān)的環(huán)境問題。
“人工樹葉”通過一種化學(xué)催化材料，利用鎳和鈷，在陽光照耀下進(jìn)行“半光合作用”，將水在一定的電壓下高效地電解為氧氣，同時(shí)產(chǎn)生質(zhì)子和電子；產(chǎn)生的質(zhì)子與電子可以結(jié)合，生成氫氣，提供一種清潔的能源。比起硅光電池板，這種“人工樹葉”顯然更便宜。更重要的一點(diǎn)在于：它不“挑食”，所以完全可以把各種廢水喂給它用來發(fā)電。鈷和磷酸鹽是強(qiáng)大的而且廉價(jià)的新催化劑，該催化劑由鎳和鈷制成，能在簡單的條件下有效地將水分解成氧氣和氫氣。諾切拉發(fā)明的人工樹葉進(jìn)行光合作用的效率大約是自然樹葉的10倍。可以樂觀地認(rèn)為，將來人工樹葉的光合效率將更高。現(xiàn)在，光合作用是以天然的方式進(jìn)行并為自然界供能的。未來，光合作用可能也將通過人工樹葉的形式造福人類。
該項(xiàng)發(fā)明的核心在于發(fā)現(xiàn)了高效廉價(jià)的電解水的電極催化材料，從而讓規(guī)模化應(yīng)用成為可能。
“人工樹葉”可以高效儲(chǔ)能，并有其他方式無法比擬的優(yōu)勢(shì)。白天，將太陽能電池產(chǎn)生的電力通過電解水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣，作為化學(xué)能儲(chǔ)存起來；晚上或陰雨天，又可以隨時(shí)通過燃料電池將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。
中國科學(xué)家也在進(jìn)行這項(xiàng)研究。2010年，上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們將“人造葉子”的技術(shù)發(fā)布在當(dāng)年的美國科學(xué)學(xué)會(huì)上。這個(gè)團(tuán)隊(duì)用中國特有的植物———打碗碗花做實(shí)驗(yàn)，先找到自然葉子收獲陽光的結(jié)構(gòu)，再研制一種在功能上替代這種結(jié)構(gòu)的化學(xué)物，為這片葉子貼上了“中國制造”的標(biāo)簽。遺憾的是，這些成果都沒有進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域，不是因?yàn)樵靸r(jià)太昂貴，就是因?yàn)椴环�(wěn)定易銹蝕。諾切拉最新發(fā)布的這片葉子部分地解決了這一問題。
據(jù)報(bào)道，諾切拉所在的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)與印度的塔塔集團(tuán)達(dá)成了合作協(xié)議。“到2011年年底，我們將可能在印度擁有基地。”諾切拉并不打算透露合作細(xì)節(jié)，但有媒體報(bào)道，塔塔集團(tuán)投資1500萬美元來支持這項(xiàng)研究。
“我們的目標(biāo)是讓每一個(gè)家庭擁有自己的發(fā)電站。”諾切拉說，“可以設(shè)想，在不久的將來，那些印度和非洲的村莊將有能力購買基于這種技術(shù)的基礎(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)。”
人們?cè)跒檫@一發(fā)明興奮的同時(shí)，還應(yīng)該清醒地意識(shí)到，所謂的“人工樹葉”其實(shí)還存在著較大的局限性。首先，“人工樹葉”并未真正實(shí)現(xiàn)自然界早已運(yùn)行上億年的樹葉的全部功能，它僅僅模仿了樹葉中光系統(tǒng)II中的局部功能。其次，它的運(yùn)行也要依賴太陽能電池和燃料電池來完成。再次，它還需要新型的廉價(jià)的壓縮氣體系統(tǒng)以儲(chǔ)存所產(chǎn)生的氫氣和氧氣，然后用于發(fā)電。因此，要把這一發(fā)明真正規(guī)模化應(yīng)用還有很長的路要走。
即便如此，人們?nèi)匀豢梢钥吹竭@一發(fā)明在未來發(fā)展的廣闊前景。正如前面所講，這一發(fā)明的核心在于將電能高效地以氫能的形式儲(chǔ)存起來。因此，其電力的來源也將不會(huì)僅局限于太陽能電池，也可以是風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑四埽踔粱剂系幕瘜W(xué)能等。比如說，很多人參觀風(fēng)力發(fā)電廠時(shí)會(huì)奇怪為什么有些風(fēng)機(jī)并不運(yùn)轉(zhuǎn)，這并不是因?yàn)槲覀冇刑嗟碾娏α耍且驗(yàn)殡娋W(wǎng)無法承受這些多出來的電力。據(jù)報(bào)道，由于無處儲(chǔ)存，僅在美國，去年一年就損失了25TWh的風(fēng)機(jī)潛在電力。而這一發(fā)明無疑將為解決這個(gè)問題提供新的途徑。
“人造樹葉”還有很大的發(fā)展空間。也許在不遠(yuǎn)的將來，“人造樹葉”也能兼具光系統(tǒng)Ⅰ的功能：通過合適的化學(xué)反應(yīng)，讓“人造樹葉”吸收二氧化碳生成有機(jī)物。在地球已不堪重負(fù)的今天，將廢棄有害的二氧化碳通過這種類似于光合作用的方式轉(zhuǎn)化成對(duì)人類有用的有機(jī)物(如糖、醇類等)，將是多么偉大的發(fā)明！
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