太阳能：人工树叶的春天 ——光子转化为燃料的研究取得进展

大家知道，除了储存在原子核内部的核能之外，目前所知的最大能量来源就是太阳。无论技术如何盛行，人工光合作用背后的逻辑是必然存在的。尽管这是一个非常具有挑战性的难题，但人们对于如何有效地利用和储存太阳能的研究将大势所趋。

在美国加州帕萨迪纳一个阳光明媚的春季早晨，空气中到处飘浮着花草的芬芳。这里的光合作用看似在毫不费力地进行着：加州理工学院人行道旁的树叶和花正在晒着太阳，并迅速地利用这些太阳能来储存糖分，舒展它们的叶子，扎深它们的根和调控它们细胞的生物过程。

颇具挑战

在加州理工学院约根森实验室内，许多研究人员正在努力的工作着，他们通过硅、镍、铁等元素来完成本该由树叶完成的工作（这些元素原本应该出现在手机中而不是植物细胞里）。这个在阳光下闪闪发光的新实验室是人工光合作用研究中心（JCAP）的总部——JCAP是美国能源部（DOE）耗资1.16亿美元打造的一个为期5年的研究项目，目标是利用太阳能来制造氢气和其他燃料，使之超过真实树叶产生的生物质能源的效率。

由于温室气体全球排放量的大约13%来自于交通运输行业，因此逐步淘汰有污染的燃料是环境保护过程中的关键一环，办法之一是在轿车和轻型卡车中使用太阳能或风能电池，但仍然不能解决全部问题。JCAP项目负责人、加州理工大学无机化学家内森•刘易斯（Nathan Lewis）指出，全球40%的交通运输业目前还难以被电气化，除非有重大的突破，否则难以出现插入式充电混合飞机，而现有的工艺也根本无法让飞机配备足够的电量来维持飞行。

而液体燃料作为一种使用方便、容易储存携带的能源物质，具有无可替代的优势。这就是为何世界各地的科研资助机构以及一些私人公司，投入了前所未有的人力物力在研究如何从太阳能中获取能源的原因所在。JCAP能够在这些机构中鹤立鸡群，不仅因为它规模庞大，更因为它志在必得——它是DOE于2010年开始筹建的五个能源创新研究中心之一，这五家中心都致力于基础研究、应用研究和工程化研究。JCAP计划于2015年前给出一个人工树叶的工作雏形。

尽管JCAP沿着这个方向已经取得了一些进展，包括不久前发布的一些研究成果，但是要按时完成这一计划仍然还有很长的路要走。美国国家可再生能源实验室的电化学家约翰•特纳（John Turner）说：“这是一个非常具有挑战性的难题。虽然回报可能会很丰厚，然而，实际情况绝不像40年前我们刚开始涉足这个领域时畅想的那么简单。”

目前，研究人员仍然有信心去打赢这场艰苦的硬仗。美国西北大学的化学家迈克尔•瓦西莱维斯基（Michael Wasielewski）说：“如果未来10年你仍然保持着现有的工作激情，那么你一定会得到一个预想中的解决方案。”

捕捉光线

关于人工光合作用这一概念的描述起源于1912年，而真正开始着手研究却是1972年。日本科学家最早提出了一种可以吸收太阳能并用之将水分解为氧气和氢气的装置，这样的一个过程也成功得到过展示。

1998年，特纳报告了一个完整的系统，该系统可以将所吸收太阳能总量的12%转化为燃料并进行有效储存，与真实树叶只能将所吸收能量的1%储存为生物质的效率相比，这是一个伟大的突破。然而，它的成本却是天然树叶的25倍以上，更遗憾的是在接受光照20小时之后，该系统的转化效率便开始直线下降。

人工树叶需要具备三个属性，”刘易斯说，“高效、便宜和强劲。我现在可以同时满足其中的任意两点，但却无法同时具备这三个属性。”

JCAP的任务就是去解决这一难题的。在这一过程中，人们希望它可以比单纯地用太阳能电池板光解水还要便宜。在JCAP设计的人工树叶中，核心元件是两块浸泡在溶液中的电极。典型的电极是由可吸收特定波长光能的半导体材料制成，其外层包有一种催化剂，便于较快的速率将水分解为氢气和氧气。与其他很多人工光合作用装置一样，JCAP的系统中也使用一种膜将生成的气体分开，以免发生爆炸性反应。

一旦水被分解，氢气将被收集起来。氢气本就可以作为一种燃料使用，在加州的一些展厅中，氢能源汽车已经可以正常运行了；另外，氢气还可以与一氧化碳反应，进一步得到液态的烃类燃料。

让人工树叶中的任何一个部件正常运转，都将是一个挑战；而把它们组成一个能够正常运行的完整系统，就更加困难了。“这真像是在造一架飞机，”刘易斯说，“你光有一台发动机是远远不够的，你还得组装翅膀和机身，并将发动机和电子系统完美融合。最后，飞机还得能够飞起来，否则一切努力都将前功尽弃。”

包括如何选取合适的材料。例如，硅作为一种优良的光电阴极，可以用于光解水过程中的氢气的产生，但是，硅只在酸性溶液的条件下稳定。不幸的是，产生氧气的光电阳极却恰恰相反，只在碱性条件下稳定。而最好的氧气生成催化剂是铱，不但稀有而且昂贵，这也限制了该装置商业化的发展。

为了寻找镍、铁、钴和铈氧化物催化水光解产生氧气的最佳组合，JCAP高通量筛选实验室通过在改造过的喷墨打印机的玻璃片上打印出各种不同的合金斑点（每天可以生产100万种由不同组分构成的合金斑点），测试其催化活性和吸光性能。以玻璃片作为一个“微型化学实验室”，研究人员筛选了近5 500种组合并考察了其稳定性和功能。结果显示，最好的组合往往不是该反应中最有效的催化剂，它还需要是透明的、能够让光通过吸收器，同时还得与部分元件的材料兼容。

JCAP的电化学家卡尔•科瓦尔（Carl Koval）指出，人工光合作用最大的挑战之一是对光电阳极材料的获取。“这些材料总是极不稳定，甚至连几分钟的稳定性都很难维持。”对此，许多研究人员将注意力集中在筛选便宜且稳定的材料，或具有高效光能转化率的材料上，其中包括一些特殊的金属氧化物，试图把它们打造成优良的光吸收装置，再努力使之变得更加稳定和便宜。

就在不久前，JCAP的一个团队报道了他们的成功经验。他们在硅等具备高效光能转化率的材料外包裹了一层具有保护作用的二氧化钛，大大提高了电极的稳定性。科瓦尔说：“这是第一代原型机制造过程中的最后一个部件。”他预测，JCAP或将在未来的几个月内实现人工树叶的试运行。

无论技术如何盛行，人工光合作用背后的逻辑是必然存在的。刘易斯说：“我们目前所知的最大能量来源就是太阳，除了储存在原子核内部的核能之外，最好的能量储存方法就是将之以化学能的形式贮存在化学燃料中。人们对于如何有效利用和储存太阳能的研究将是大势所趋。”

资料来源：Jessica Marshall(2014).Solarenergy: Springtime for the artificial leaf.Nature 510.22-24