科学家在将光子转化为能源道路上稳步前进

到目前为止，人类拥有的最大能源是太阳，所以最好的能量储存方式是化学燃料。必须有人研究人类最大的能源，并找到储存能量的最有效方法。

资料来源:维克多·科恩

加州理工学院的乔根森实验室是联合人工光合作用中心(JCAP)-JCAP的总部，是一个由能源部资助的科学研究项目，总价值1.16亿美元，总共有190名研究人员，为期五年。JCAP的目标是设计一种人造树叶，利用阳光使氢和其他燃料比生物燃料燃烧更有效。

研究人员如此急于推进JCAP项目是有原因的:大约13%的温室气体排放来自交通运输部门，因此逐步淘汰污染燃料是环境保护事业的核心目标。JCAP在这方面尤其突出，不仅因为它的巨大规模，还因为它的雄心壮志。能源部在2010年建立了五个能源创新中心，专门负责通过基础科学研究解决具体问题。JCAP是其中之一。JCAP承诺在2015年资本合同到期前设计一个人造树叶的原型。

尽管JCAP在研究道路上迈出了稳步的步伐，但仍有很长的路要走。科罗拉多州戈登美国国家可再生能源实验室的电化学学家约翰·特纳说:“制造人造树叶是一个非常具有挑战性的研究项目。尽管回报相当丰厚，但比每个人开始时想象的要困难得多。”然而，大量的金钱和大量的关注让研究人员对他们最终的成功充满信心。

照明采集

JCAP的科学主管、无机化学家内森·刘易斯说:“人们希望人造树叶能同时满足三个需求:高效率、实惠的价格和耐用性。现在我们可以同时满足任何两个条件，但我们不能同时满足所有条件。”

JCAP的任务是解决这个问题，并设计一个新的系统，比简单地通过太阳能电池板放电分离水分子更便宜。JCAP设计的人造叶子的核心部分是浸入水溶液中的两个电极。一般来说，每个电极都是由半导体材料制成的，可以从太阳光谱中捕获特殊的光能。

此外，电极的外表面涂覆有催化剂，以确保电极以一定速度产生氢气或氧气。像其他人工光合作用设备一样，JCAP使用薄膜来分离各种产生的气体，以降低爆炸的风险。

一旦水被分离，氢必然会出现。它可以单独用作原料，也可以与一氧化碳反应后，成为液态氢碳复合燃料。

设计人造树叶的组件并使其工作已经是一项非常困难的任务，更不用说将所有组件组合在一起以确保整个系统正常工作了。刘易斯说:“这就像制造飞机一样。你不仅需要优秀的发动机和电子设备，设计科学的机翼和机身，还要确保飞机在所有部件组合后能够高效安全地飞行。”

在设计人造树叶的过程中，最困难的事情是找到最合适的材料。以硅为例，它是一种优良的光电阴极材料，但只有在酸性溶液中才稳定。不幸的是，二极管的性能正好相反。它只有在合适的溶液中才是稳定的。此外，作为氧气生产的最佳催化剂，铱既稀有又昂贵，不能用于商业领域。

在寻找合适材料的过程中，最困难的是光电阳极材料的选择。卡尔·科瓦尔是一名电化学学家和JCAP公司的主管，他说:“这些电极材料非常不稳定，甚至一分钟都不能达到稳定状态。”许多研究人员在他们的研究中使用已知的廉价和稳定的材料，然后专注于如何使它们更好地吸收光线。其他研究人员在他们的研究中使用了具有良好吸收率的已知材料，并专注于如何使它们便宜和稳定。

刘易斯承认，现有的光吸收体太贵，无法上市，因为它的核心是由昂贵的单晶硅制成的。然而，如果随后的研究证明更便宜的材料可以完成这项工作，整个系统将变得非常经济。

可供选择的事物

科瓦尔指出，JCAP也面临一些指控。有人认为JCAP强调工程建设和人造树叶的原型设计是一个错误。如果JCAP最初是为了促进基础科学研究而建立的，那么它就不应该按照能源部的意图行事。其他人认为有很多方法可以制造人造树叶。为什么JCAP只选择其中一个？

科瓦尔说:“许多人认为能源部应该把资金分配给不同的研究渠道，而不是偏向JCAP。”然而，科瓦尔认为，如果资金分散，风险将会增加，最终可能不会有结果。

然而，许多替代方案正如火如荼地进行着。例如，位于加州圣巴巴拉海岸的HyperSolar公司正在测试一种覆盖有纳米粒子材料的新系统，将光吸收剂和催化剂放入透明的充水塑料袋中。当暴露在光线下时，塑料袋会膨胀。在这个过程中，氢和氧在内部产生。这种设备可以安装在阳光充足的地方，如沙漠。2009年，能源部在一份报告中预测，如果这种设备使用廉价的材料，它将提高10%的制氢经济效率，并保持10年的稳定性。

但是特纳分析，这个系统也有风险，因为它同时产生氢和氧。一旦在沙漠中以每小时100英里以上的速度行驶，总有爆炸的危险。HyperSolar的研究人员正在探索解决这一隐患的方法。加州大学的博士后研究员赛义德·穆贝是该公司的首席科学家。据他说，一种方法是将这两种气体放入不同的透明塑料袋中。另一种方法是用废水代替纯净水，并将有机杂质混入塑料袋中。然而，穆贝认为这种方法完全破坏了氧的平衡。像JCAP的稳定光阳极一样，超级太阳设计的吸收体涂有一层保护材料。

发布原型

春天的一天，JCAP的研究人员在加州大学伯克利分校工业区的一个临时实验室里发布了人造树叶的原型系统。原型系统不是研究团队的最佳成果。它不能保持长期稳定，效率也不是很高。然而，它仍然激励人们看到人造树叶的光明未来。

JCAP的研究人员希望这种原型系统最终将导致工业制氢工厂。一些研究人员还预计家用电器可能会使用该系统，但刘易斯警告说，少量的光不能产生足够的氢来支持家庭对能源的需求。其他研究人员认为，人造叶子技术可以在缺乏能源基础设施的发展中国家大放异彩，并在需要能源的地区为发电提供燃料。

与此同时，JCAP的研究人员和其他人也在研究其他选项，以全面推动研究进展。刘易斯认为，无论哪种技术最终成功，支持人工光合作用研究的科学精神是一致的，即坚持不懈和不屈不挠。他说:“到目前为止，人类最大的能源是太阳，所以最好的能量储存方式是化学燃料。必须有人研究人类最大的能源，并找到储存能量的最有效方法。”

(段鑫)

《中国科学新闻》(国际，第三版，2014年6月12日)

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