美科学家研制出首片人造叶子：可光合作用发电

　新浪科技讯 北京时间3月29日消息，据物理学家组织网报道，美国麻省理工学院的科学家27日称，他们已经研制出第一片实用型人造树叶，这是可再生能源探索道路上的一个转折点。他们在第241届美国化学学会全国大会上说，植物利用光合作用把阳光和水转变成能量，他们研发的扑克大小的高级太阳能电池，正是通过模拟这一过程产生电流的。

　　该科研组的领导者丹尼尔·诺克拉说：“利用光合作用为人类提供能源的实用型人造树叶，是几十年来科学界的一个‘圣杯’。我们认为我们已经做到这一点。这种人造树叶显示了它的巨大潜力，它能帮助发展中国家的贫困家庭用上便宜、清洁的电能。我们的目标就是让每一个家庭都有自己的发电站。你可以想象一下，有了这项技术，印度和非洲的农村家庭不久后就能买到便宜的基本电力系统，实现电力的自给自足。”

　　虽然这种人造树叶是以真正的树叶为原型研制的，但是它跟自然界的橡树、枫树和其他绿色植物的叶子不同。这种仪器的外形很像扑克，但是比扑克更薄，它由硅、电子和催化剂(用来加速化学反应速度的物质，如果没有它们，化学反应可能就不会发现，或者反应缓慢)构成。诺克拉表示，这种人造树叶的工作原理非常简单：把它放在一加仑水里，然后放在阳光下，它就能把水分解成氢和氧，产生电流。一个这种仪器产生的电能可以满足发展中国家一个家庭一天的用电需求。

　　这一过程产生的氢气和氧气会被储存在位于屋顶上或者房屋旁边的燃料电池里，燃料电池利用这两种材料产生电流。美国坎布里奇麻省理工学院的化学家诺克拉指出，“人造树叶”并不是一种新概念。其实早在10多年前美国科罗拉多州国家可再生能源实验室的约翰·特纳就制成了第一片人造树叶，尽管特纳的人造树叶的光合作用效率很高，但是由于他当时采用的是非常昂贵的金属材料，而且这种仪器的使用寿命也仅为1天，因此无法普及开来。

　　诺克拉科研组研制的新型人造树叶克服了这些问题。它的制作原材料价格非常便宜，几乎随处可见，而且这种仪器的稳定性好，对工作环境要求不高。实验室研究显示，他的人造树叶原型持续工作至少45小时后效率仍不会下降。他们取得这项新突破的关键，是诺克拉最近发现的几种新型强效、廉价催化剂，这些催化剂用镍和钴制成，它们能在简单条件下非常有效地把水分解成氢和氧两种成分。现在诺克拉的人造树叶的光合作用效率比真正的树叶高10倍。他认为以后这种仪器的效率还能进一步提高。诺克拉说：“自然由光合作用提供能量，我认为未来世界也能用光合作用和这种形式的人造树叶提供能量。”(孝文)

麻省理工在人造叶子研究上取得重大进展

人造叶子研究重大进展 人工光合作用将成为能源新宠

• 标题：MIT Lab Creates the World's First Feasible 'Artificial Leaf' | Popular Science
• 来源：http://www.popsci.com/science/article/2011-03/mit-lab-creates-worlds-first-practical

人造叶子与它所模仿的天然叶子看起来大相径庭，但是它们的输入物和输出物却是相同的。这个人造叶子由硅，电子器件以及促进化学反应在设备内发生的各种催化剂组成，能够利用阳光把水分解成氢和氧，然后利用它们在另外一个单独的燃料电池里面发电。Nocera说，只要把这些叶子放到一加仑的水里，然后放到阳光下晒，所发的电就足够满足一个发展中国家的一户普通家庭一天的基本用电需求。

需要注意的是，Nocera的实验室造出的这种人造叶子并不是人们在实现人工的光合作用方面的第一次尝试。但是以前的尝试都因为产品采用的材料不稳定而且价格昂贵，最终都成了“短命鬼”。Nocera 和他的小组运用一些廉价的，常见的，比如镍和钴这样的催化剂以低廉的多的成本实现了这个过程。在他们的实验室里，那些扑克牌大小的人造叶子已经持续不断的工作了45个小时，而输出仍然没有下降。

Nocera 和相关公司的下一步目标是尝试大幅度提高光合作用材料的效率和使用寿命。该技术目前仍处于实验室阶段，但是它呈现出的巨大进步已经是显而易见的了。如果这种叶子能够规模化，批量生产的话，将会成为一个推动氢基础经济的关键。近的来说，这样的技术起码可以为那些现在无法供电的地区提供清洁的，大量的，易于生产的能源。

人造的树叶会发电

　　中国研发的人工树叶

　　诺塞拉和自己的人工树叶

　　这恐怕是世界上最为奇怪的树叶了：它没有粗细不等的叶脉，取而代之的是各种电子元件；它也没有心形、扇形或是菱形这样的形状，而是像一张扑克牌那样单薄；甚至于，它连普通树叶常见的颜色都没有，看上去就像一块亮晶晶的遮光板。

　　但它却能像树叶那样进行光合作用。3月27日，美国麻省理工学院（MIT）的丹尼尔·诺塞拉（Daniel Nocera）博士公布了自己团队研发的人造叶子。在众人的瞩目下，一片人造叶子被放入3.7升水中，在阳光下迅速地产生了相当于一个发展中国家的家庭一天的能源需求。

　　诺塞拉是在第241届美国化学学会上发布的这项成果。作为世界上最大的科技协会之一，美国化学学会不止一次发布过关于人造叶子的成果。这片来自马萨诸塞州的叶子的最大特点是实用性，由于所用材料价格低廉，未来它有可能成为超市货架上的商品。

　　所谓“叶子”，只是一块高级的太阳能电池

　　事实上，人造叶子是一个技术概念，并不专指某一片叶子。这种技术主要是模拟真实植物的光合作用原理：用人工材料制成小巧轻薄的片状，浸泡在水中，经过太阳光的照射，水被分解为氧气和氢气，这些气体储存起来可用于发电。所谓的“叶子”，只是一块高级的太阳能电池。

　　“要做到像叶子一样进行光合作用，并不意味着我们完全按照树叶来设计人工叶。” 伦敦帝国学院生物学家、“人造叶子”项目负责人詹姆斯·巴伯（James Barber）解释说。他表示，“达·芬奇曾试图设计羽翼可以上下摆动的飞行器。但最终人类建造出波音747及空中客车380与鸟完全不同，它们甚至飞得比鸟更好”。

　　诺塞拉研制的人造叶子就不以任何自然界中的树叶为原型。这位化学家、能源学家一直致力于这项在美国被称为“人工模拟光合作用”的研究。2007年诺塞拉因声称更好地理解了光合作用而受到广泛关注。

　　除了麻省理工学院的教师身份，诺塞拉还是一家太阳能源公司的创始人。美国能源部下属的能源研究计划局2009年10月曾拨款2370万美元鼓励新公司和大学研究太阳光合能。他所创建的这家公司就是5家接受政府资助开发的公司之一。此次的研究经费也是部分来源于这家公司。

　　不过，这片叶子并不是史无前例。早在1998年，美国科罗拉多州国家可再生能源实验室的约翰·特纳（John Turner）博士就研制出了世界上第一片人造叶子。

　　这位现在依然将精力倾注于这一技术的科学家在接受中国青年报采访时说，自己也并不是第一个提出这一概念的人。1972年，日本学者藤岛昭和他的导师共同在《科学》杂志上发表了一篇论文，这篇论文后来被奉为光催化概念的经典之作。由于这一化学过程模拟了光合作用，在自然界中承载这一作用的树叶就此进入科学家的视野。

　　20多年后，特纳用砷化镓制成的叶子来分解水，释放的氢和氧产生电流。但砷化镓素有“半导体贵族”之称，诺塞拉曾开玩笑说，这种材料只有美国航天局才用得起。

　　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。诺塞拉最新发布的这片叶子部分地解决了这一问题。

　　这个长满络腮胡子的男人表示：“我将一片叶子放入一瓶水中，拿着它走到阳光下，你就能看到氧气和氢气在冒泡。”瓶中的水并不需要是纯净的，诺塞拉用校园附近的查尔斯河水实验，效果并没有衰减。

　　只需要每秒把MIT的游泳池水的1/3分解，就能为世界提供能源了

　　一直以来，人们都在寻求利用“不需要付费”的太阳能源，然而捕获并使用太阳能却需要耗费很大的财力，这让很多在太阳能上动脑筋的人望而却步。

　　“传统的太阳能电池板造价并不昂贵。”诺塞拉解释说，“它的大部分的开销都在于布线，而人造叶子很好地解决了这一问题。”

　　同传统太阳能电池板一样，人工叶子的基础材料依然是硅，只不过运用的是三结非晶硅。虽然在转换效率上不如传统的晶体硅，但这种非晶硅价格低廉、耗能少，更利于推广。同时，叠层的设计将非晶硅分子用磷酸盐加以固定，使它们就像是捆在一架车上的几匹马，不但保证了分解水时所需要的能量，还使其更加具有稳定性。

　　更令学界关注的是“穿”在硅外面的催化剂。清华大学材料与科学工程系的林红在接受中国青年报采访时解释说，催化剂使硅板不再像普通太阳能电池那样依靠电线工作，反应速度和强度大大提高。在过去，催化剂大多采用的是锰基。

　　诺塞拉所采用的一种催化剂是钴。相比于需要不断修复和代谢的锰基，钴有强大的“自组装”能力，它能让自己分分合合，不需要再加入额外的材料。这弥补了20多年前第一片“人造叶子”的先天不足。据说，诺塞拉的这片叶子的光合效率大约是自然树叶的10倍。

　　目前，诺塞拉的实验室并没有发布催化剂的具体成分，这将留待以后申请专利。在美国化学学会提供的新闻通稿中，只提到镍、钴等元素作为催化剂，不但解决了稳定性的问题，还因为廉价而有了投入商业用途的可能。

　　这位科学家曾经畅想，如果化学家们能够开发出一种可承受的、有效的、利用太阳能来分解水和产生氢燃料的手段，那么只需要每秒把MIT的游泳池水的1/3分解，就能为世界提供能源了！

　　如今，这个梦想似乎近在咫尺。“还将面临许多严峻的工程。”诺塞拉说。目前，人造叶子遇到的最大挑战是如何捕捉氧气和氢气并存储它们，以备在没有阳光时使用。

　　一片叶子，成为一户家庭的发电站

　　“归根结底，我们所能得到的唯一可持续的能源形式就是太阳。”英国能源研究中心执行董事约翰·劳赫德非常看好人工叶这一设想的前景，因为“植物早就进化出这一功能，而且我们知道，从根本上说，在大规模推广利用方面来说，这是可行的”。

　　氢是宇宙中分布最广泛的物质，构成了宇宙质量的75%。氢能作为人类的终极能源已成为世界各国科学研究的重点之一。太阳能制氢技术从水这个氢的大仓库中分解出氢，使其作为能源应用于人类的生产过程。

　　早在小布什当政时期，美国就提出要推广氢燃料计划。奥巴马政府在竞选时也将发展新能源提上了竞选纲领。

　　中国也开始重视新能源的开发和利用。2008年，科技部部长万钢在第十七届世界氢能大会获得2008年度格罗夫（Grave）奖，用以表彰其推动燃料电池汽车方面的贡献。积极推动人工光合作用技术的美国能源部部长朱棣文更是在去年斯坦福大学演讲时表示，中国目前在清洁能源上的投入相当惊人，每个月投入额为90亿元，大有后来居上的势头。

　　参与上海交通大学的“人工无机叶”项目的范同祥、张荻也对氢能表示乐观：“将取之不尽的太阳能转换成氢能是未来的方向。”碳能源时代消耗了大量的不可再生能源而且释放的是二氧化碳温室气体，氢能的燃烧则只释放水蒸气，对环境不会造成影响。

　　在“十二五”规划强调大力发展的七大新兴产业中，“人造叶子”代表的“新能源、节能环保、新材料”都是重点发展的产业，前景十分乐观，但如何产业化还是个未知数。

　　特纳博士接受采访时说：“目前人造叶子只是实验室的一个仪器，还没有准备好投入商业生产。”尽管如此，他依然对这项技术的前景充满乐观。“我们将朝着可持续发展的无碳、低耗的氢能产业和氢能经济迈进。”

　　缔造了第一片实用型人造叶子的诺塞拉更加关注它的产业化，并将目光投向了广大的发展中国家和地区。“人造树叶显示了它的巨大潜力，它能帮助发展中国家的贫困家庭用上便宜、清洁的电能。实现电力的自给自足。”

　　诺塞拉所在的实验室已经与印度的塔塔集团达成了合作协议。“到2011年年底，我们将可能在印度拥有基地。”诺塞拉并不打算透露合作细节，但有媒体报道，塔塔集团投资1500万美元来支持这项研究。

　　“我们的目标是让每一个家庭拥有自己的发电站。”诺塞拉说，“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。”