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英国出版的Chemical Society Reviews(《化学学会评论》)杂志曾以封面形式报道了这一发现

人工树叶

  美国科学家丹尼尔-诺切拉(Daniel Nocera)日前在第241届美国化学学会的年会上宣布了其研究小组的最新进展——一种廉价高效的“人工树叶”。他在报告中说:“将一加仑水和人造树叶放置在阳光下,可以提供发展中国家一个家庭一天的基本用电。”这个发明引起了科学界乃至世界各国主流媒体的关注——它被认为是人类寻找替代能源的征程中一个里程碑式的发明,甚至有人认为这片小小的“树叶”可能将彻底解决未来的能源和与之相关的环境问题。

  “人工树叶”简介

  “人工树叶”是一种如扑克牌大小的片状材料,使用方法也非常简单:将它放在水中,暴露在太阳光下,即可将水有效地分解为氧气和氢气,这些气体再被输送到一个分离的燃料电池中储存并发出电力。

  原理:电解水的过程

  在说“人工树叶”之前,先让我们来了解一下自然界的树叶是怎么工作的。我们知道,植物是通过光合作用获取生长所需的能量的。这其中的原理非常复杂。简单地讲,树叶中有两套系统:光系统Ⅰ和光系统II。光系统Ⅰ负责吸收二氧化碳,生成植物生长需要的有机物。光系统II负责吸收太阳光,并将水分解为氧气,同时产生质子和电子。事实上,地球上95%的氧气来源于这一过程,而产生的电子和质子将会参与到与二氧化碳的反应中,从而生成淀粉及糖类有机物用于植物生长。当然,这中间还涉及许多复杂的生化反应过程,在这我们不再详细叙述。

  与我们这一主题相关的是光系统II。在这一过程中,最关键、最复杂、也是最困难的过程就是将水分解为氧气。而在诺切拉教授的报告中提及的“人工树叶”,其核心正是模仿了树叶的这一过程——通过一种化学催化材料,将水在一定的电压下高效地电解为氧气,同时产生质子和电子;产生的质子与电子可以结合,生成氢气,提供一种清洁的能源。在这一过程中所需的电力,将由硅太阳能电池供给。

  看了上面的介绍,也许有些人会有点失望,所谓“人工树叶”原来就是电解水啊,这不就是我们在高中化学时就学过的反应吗!简单讲,不就是用太阳能发电,再用电解水制氢气和氧气,然后再用氢气和氧气通过燃料电池来发电。

  其实,诺切拉教授发明的核心就在于他们发现了高效廉价的电解水的电极催化材料,从而使得这一过程的经济性大大增加,让规模化应用成为可能。事实上,关于“人工树叶”的研究可以追溯到十多年前,但由于往往利用铂、钌等贵金属作为催化材料,而且寿命短暂,因此很难进一步进行规模化应用。而诺切拉的研究小组则采用相对廉价的钴、镍等金属化合物以及磷酸盐作为电极催化材料,不仅催化效率远高于传统材料,而且寿命更长、更稳定,使成本大大降低。

  核心:高效的储能方法

  我们知道,现在太阳能电池已经得到了很大发展,但其最大的问题是缺乏持续性——只有白天或者光照条件好的情况下才可以发电,到了晚上或阴雨天,不仅无法产生电力,那些在白天产生的电力也不能储存。也就是说,如果不能即时使用,就会浪费掉。

  而“人工树叶”则有效地解决了这个问题。白天,将太阳能电池产生的电力通过电解水转化为氢气和氧气,作为化学能储存起来;晚上或阴雨天,又可以随时通过燃料电池将储存的化学能转化为电能。

  或许很多人会问,为什么我们要通过这么复杂的一种方式储存太阳能电池所发出的电力呢,我们有非常成熟的电池或其他方式啊!事实上也确实有人在这么做。但问题的关键在于“人造树叶”有其他方式无法比拟的优势。

  首先,“人造树叶”的储能效率非常高。举个例子,电池的能量密度只能达到约0.1-0.5MJ/kg,超级电容器仅为约0.01MJ/kg,而氢气的能量密度却高达140MJ/kg。通俗点说,同样质量的氢气储存的能量是电池的1400倍,是超级电容器的14000倍。利用氢气化学储能的优势是多么明显啊!其次,在这一过程中,所消耗掉的仅仅是水,因此也被形象地称为“水燃料”。事实上,即使是这些水在随后的放电过程中也会被再生出来,因此这一过程所需的仅仅是太阳光照而已。讲到这里,我想读者应该了解了:“人工树叶”并非一种新的获取能源的方式,其核心是一种高效的储存能源的方法。

  未来:发展空间无限

  在为这一发明兴奋的同时,我们还应该清醒地意识到,所谓的“人工树叶”其实还存在着较大的局限性。首先,“人工树叶”并未真正实现自然界早已运行上亿年的树叶的全部功能,它仅仅模仿了树叶中光系统II中的局部功能。其次,它的运行也要依赖太阳能电池和燃料电池来完成。再次,它还需要新型的廉价的压缩气体系统以储存所产生的氢气和氧气,然后用于发电。因此,要把这一发明真正规模化应用还有很长的路要走。

  即便如此,我们仍然可以看到这一发明在未来发展的广阔前景。正如前面所讲,这一发明的核心在于将电能高效地以氢能的形式储存起来。因此,其电力的来源也将不会仅局限于太阳能电池,也可以是风能、地热能、核能,甚至化石燃料的化学能等。比如说,很多人参观风力发电厂时会奇怪为什么有些风机并不运转,这并不是因为我们有太多的电力了,而是因为电网无法承受这些多出来的电力。据报道,由于无处储存,仅在美国,去年一年就损失了25TWh的风机潜在电力。而这一发明无疑将为解决这个问题提供新的途径。

  “人造树叶”还有很大的发展空间。也许在不远的将来,“人造树叶”也能兼具光系统Ⅰ的功能:通过合适的化学反应,让“人造树叶”吸收二氧化碳生成有机物。在如今地球已不堪重负的今天,将废弃有害的二氧化碳通过这种类似于光合作用的方式转化成对人类有用的有机物(如糖、醇类等),将是多么伟大的发明啊!

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