造電池,學(xué)樹葉

通過模擬一部分光合作用，丹尼爾#8226;諾西拉找到一種產(chǎn)生氫氣的方法，便捷且廉價，從一杯水中制造出了燃料。這一成果很可能大大改善太陽能產(chǎn)業(yè)，讓太陽能在未來成為主流能源。

諾西拉屈肘不動，目光保持穩(wěn)定，有點像拍照的姿勢。在本該放照相機的位置上，是一個U形試管，里面的液體無色透明，兩串小氣泡開始從底部冒出來。

這不是一次普通意義的水分解實驗。作為展示者，麻省理工學(xué)院的化學(xué)家丹尼爾#8226;諾西拉(Daniel Nocera)有點激動，“你們看到那個了嗎?”他指了指試管一端源源不斷冒出來的氧氣，“這是未來，我們得到了樹葉。”

事實上，同時生成的另一種氣體才更重要。這實驗真正偉大的意義在于，未來科學(xué)家將模仿樹葉，在太陽和氫燃料之間，以一種便捷的方式實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。

人工光合作用

在真正的光合作用中，綠色植物利用葉綠素捕獲來自太陽的能量，然后，驅(qū)動一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)變成富含能量的碳水化合物，如淀粉和糖儲存起來。

科學(xué)家意圖將光合作用以某種方式拿到實驗室里。

像丹尼爾#8226;諾西拉一樣的研究者們感興趣的是光合作用的早期步驟—蛋白質(zhì)結(jié)合物和無機催化劑如何能幫助將水分解成氧和氫離子。

2 0世紀7 0年代早期，科學(xué)家們開始了相關(guān)的嘗試。當時，他們已經(jīng)可以分解水，但這一過程卻需要高溫、苛刻的堿性溶液，或者稀有昂貴的催化劑，如鉑。

東京大學(xué)研究生藤島昭( A k i r aFujishima)和他的導(dǎo)師本多健一(KenichiHonda)設(shè)計出了二氧化鈦制成的電極。當這種電極暴露在500瓦的氙燈光線中，周圍接觸它的水會被緩慢分解。

1 9 7 4年，北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的化學(xué)教授托馬斯#8226; 邁耶( T h o m a sMeyer)有了新的構(gòu)想。他發(fā)現(xiàn)如果將一種以釕為基礎(chǔ)的染劑暴露在光線中，它就可以使水氧化。

但這兩種技術(shù)后來都被證明不可行。二氧化鈦不能吸收足夠的太陽光，而邁耶的染劑中，光誘導(dǎo)化學(xué)狀態(tài)太短暫。但無論如何，這些進步大大刺激了科學(xué)家們的想象。

當倫敦帝國學(xué)院的研究人員終于確定，催化劑的關(guān)鍵是一個蛋白質(zhì)、氧原子、錳和鈣離子的集合，諾西拉知道機會來了。“我一看到這點，就開始設(shè)計系統(tǒng)。1984年以來，我們一直在努力完全弄懂光合作用背后的化學(xué)?！?/p>

諾西拉的團隊最終拿出來一套裝置，就是提到的那個U形試管。

試管中充滿玄機:當接通電源，鈷和溶液中的磷酸鹽聚集到一個電極，形成一種催化劑。由于它起的作用，電子流出電極，氧氣釋放出來。而氫離子則流經(jīng)一層膜去到另一邊，在那里，經(jīng)過鎳金屬催化，形成氫氣。

“從一杯水中制造燃料，”諾西拉說，“這就是未來?！?/p>

羨慕葉子的理由

太陽能是個好東西，它的優(yōu)點是能量來自于太陽。不過它的缺點也是能量來自于太陽。

如今，大多數(shù)太陽能電板必須與電網(wǎng)連接:陽光燦爛的日子，太陽能電板以峰值運行，多余的電力賣給公用事業(yè)單位。但在夜間或陰天，他們不得不依賴電網(wǎng)。

同時，電池是昂貴的。最好的電池每公斤儲存300瓦時的能量，而每公斤汽油儲存13000瓦時。

這也就解釋了科學(xué)家為什么如此迷戀葉子。

但諾西拉的這項發(fā)現(xiàn)一提出卻遭到質(zhì)疑?！叭斯す夂献饔玫恼f法太瘋狂了，”托馬斯#8226;邁耶說，他曾是諾西拉的導(dǎo)師，“這種進步只是一個研究發(fā)現(xiàn)，但不能保證它能夠擴大規(guī)?；蛘呱踔翆⑺兊脤嵱??！?/p>

其他科學(xué)家也并不看好。他們承認，的確，電池儲存的能量遠遠少于化學(xué)燃料，但關(guān)鍵是，電池要高效得多!因為在使用電力制造燃料，再用燃料產(chǎn)生電力的過程中，每一步都有能量損耗。“集中在改善電池技術(shù)要實際得多。既然電解效率不高，那么為什么要做呢?”

“這是未來”

說這些話的人，眼光可能早就放在了克拉澤爾的新型太陽能電池上。

1991年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院教授邁克爾#8226;克拉澤爾(Michael Gratzel)發(fā)明出一種同樣被喻為“人工樹葉”的太陽能電池。在這種電池當中，他使用了含釕的染劑，它就像植物中的葉綠素，能夠吸收陽光，釋放電子。

不過，克拉澤爾的太陽能電池并不引發(fā)水分解反應(yīng)。取而代之的是，電子被一個二氧化鈦薄膜收集，并受外部電路的指示，產(chǎn)生電力?！爸Z西拉將光能直接轉(zhuǎn)化為電能，而克拉澤爾將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能?！眲倓偧尤氲絿鴥?nèi)“人工樹葉”研究行列中的南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授馮曉東說。

馮曉東補充，克拉澤爾的這種所謂“人工樹葉”被公認為最具前景的一種，日本夏普等大企業(yè)已經(jīng)瞄準并投入開發(fā)?！斑@很容易理解，比起單晶硅、多晶硅，它的用料便宜，而且，工序由傳統(tǒng)的15、16步減少到6、7步?！?/p>

幸運的是，本身研究“人工樹葉”的克拉澤爾也看中了諾西拉的“葉子”?？死瓭蔂栆呀?jīng)表示，他想把自己的太陽能電池和諾西拉的催化劑整合到一個設(shè)備中去捕獲太陽能，并且，利用它分解水。

這個實現(xiàn)中的裝置，計劃用克拉澤爾的染劑代替諾西拉系統(tǒng)中催化劑圍繞形成的電極。當暴露在陽光中時，染劑本身產(chǎn)生聚集催化劑所需的電壓，催化劑聚集成功后，染劑吸收的陽光就驅(qū)動分解水的反應(yīng)。“這個設(shè)備會更加高效、更加廉價?！?/p>

也許，這才是未來。