Nature：人工樹葉的春天

科學家在將光子轉化為能源的道路上穩步前進

　　到目前為止，人類所擁有的最大能量源就是太陽，因此儲存能量的最佳形式就是化學燃料。必須有人研究人類最大的能量源，并找出儲存能量最有效率的方法。

　　美國加州理工學院約根森實驗室是人工光合聯合中心（JCAP）總部——JCAP是一項由能源部（DOE）資助的總價值達1.16億美元的科研項目，共有研究人員190人，已歷時5年。JCAP的目標是設計出一種人工樹葉，利用陽光促使氫和其他燃料的燃燒效率比生物燃料的燃燒效率更高。

　　研究者如此焦急地推動JCAP項目是有原因的：在所有被排放的溫室氣體之中，約有13%來自交通領域，因此逐步淘汰污染環境的燃料是環保事業的一項核心目標。在這點上，JCAP尤其突出，不僅因為它龐大的規模，還因為它的雄心壯志。DOE于2010年創立了5家能源創新中心，專門負責通過基礎科研解決具體問題，JCAP就是其中之一。JCAP承諾在2015年資金合約到期之前設計出一款人工樹葉的原型。

　　盡管JCAP已經在研究道路上邁出了穩健的步伐，但仍然有很長的路要走。科羅拉多州果登市美國國家可再生能源實驗室電化學家John Turner說：“制造人工樹葉是一項非常具有挑戰性的研究項目，雖然回報相當豐厚，但卻比所有人一開始設想的要艱難得多。”但是，大量資金和諸多關注使得研究者有信心取得最終的成功。

　　光照獲取

　　無機化學家Nathan Lewis是JCAP的科學主任，他說：“人們希望人造樹葉同時滿足三大需求：效率高、價格實惠和堅固耐用。現在我們可以同時滿足任意2樣條件，但無法同時滿足所有條件。”

　　JCAP的任務就是解決這一問題，并設計出一種比單純靠太陽能電池板放電分離水分子更廉價的新系統。JCAP設計的人工樹葉的核心部分是2塊浸入水溶液的電極。通常來說，每一塊電極由半導體材料制作而成，該材料能夠從太陽光譜中捕獲特殊的光能。

　　此外，電極外表還涂有催化劑，用來確保電極以一定的速度產生氫或氧。而JCAP的設計則與其他人工光合作用設備一樣，用薄膜將生成的各種氣體隔開，以降低爆炸的風險。

　　一旦水發生分離，氫氣必將出現，它可以單獨作為原料或與一氧化碳反應后變為一種液態氫碳化合物燃料。

　　設計人工樹葉的各個元件并讓它們發揮作用已經是一項非常困難的任務了，更不要說將所有元件組合在一起確保整個系統運轉良好。Lewis說：“這和制造飛機是一個道理，你不僅需要有性能出色的引擎和電子設備，設計科學的機翼和機身，還必須確保各個元件組合在一起后，飛機可以高效安全地飛行。”

　　在設計人工樹葉的過程中，最困難的當屬尋找最合適的材料。以硅為例子，它是出色的光電陰極材料，但只有當處于酸性溶液中時才是穩定的。不幸的是，二極管的性能剛好相反，只有當處于酸堿度正好的溶液中時，它才是穩定的。此外，作為最佳的制造氧氣的催化劑，銥既稀有又昂貴，無法應用于商業領域。

　　而在尋找合適材料的過程中，最難的是光電陽極材料的選取。電化學家兼JCAP主管Carl Koval說：“這些電極材料都非常不穩定，甚至連1分鐘的穩定狀態都達不到。”許多研究者在研究中采用已知的廉價且運行穩定的材料，然后把重點放在如何使它們的吸光性更好上。另一些研究者則在研究中采用已知的吸光性好的材料，而把重點放在如何使它們廉價且運行穩定上。

　　Lewis承認，現有的吸光器太貴，無法推廣到市場上，因為其核心部分是由昂貴的單晶硅為材料制作而成的。但是，如果后續研究證明，價格更低廉的材料能夠勝任工作，那么整個系統將變得非常經濟實惠。

　　替代方案

　　Koval指出，JCAP也面臨著一些指責。一些人認為JCAP將重點放到工程建設和人工樹葉原型設計上是一個錯誤，如果JCAP建立的初衷是推進基礎科研，那么就不應當按照DOE的意思行事。還有一些人認為制作人工樹葉的途徑有很多，為何JCAP卻只選擇其中的一條路來走。

　　Koval說：“許多人認為，DOE應當將資金合理地分配給不同的研究途徑，而不是偏向JCAP。”但是Koval認為，如果把資金分散將會提高風險，最終可能什么成果也沒有。

　　盡管如此，許多替代方案正在如火如荼地進行。例如，加州圣芭芭拉海岸一家名為HyperSolar的公司正在測試一種新系統，該系統覆蓋有納米級粒子材料，將吸光器和催化劑置于一只透明的、充滿水的塑料袋中。當受到光照時，塑料袋會膨脹，在這一過程中，氫氣和氧氣在內部生成，這種設備可以在日照充足的區域例如沙漠中安置。2009年，DOE在一份報告中預測，如果這種設備使用廉價材料，將提高制造氫氣10%的經濟效益，并能保持10年的穩定。

　　但Turner分析，該系統也有風險，因為它在制造氫氣的同時也在制造氧氣。一旦在沙漠中行車時速高于100英里時，隨時都有爆炸的危險。HyperSolar公司的研究者正在探索解決這一隱患的方法。加州大學博士后Syed Mubeen是該公司的首席科學家，據他透露，其中一種方法是將2種氣體分別裝入不同的透明塑料袋中。另一種方法則是用廢水替代純凈水，在塑料袋中摻入有機雜質。但是，Mubeen認為這種方法完全破壞了氧氣的平衡性。與JCAP的穩定光電陽極一樣，HyperSolar公司設計的吸光器也涂有一層保護材料。

　　發布原型

　　春季的某一天，JCAP的研究者在加州大學伯克利分校工業區的臨時實驗室內發布了一款人工樹葉原型系統。該原型系統并不是研究小組的最佳成果，它無法維持長時間的穩定，且效率并不是非常高。但它仍然讓人們備受鼓舞，看到了人工樹葉光明的未來。

　　JCAP的研究者希望這款原型系統能最終促成工業化生產氫氣的工廠。一些研究者還預想家用電器或許也能使用該系統，但Lewis警告說，少量的光無法制造出充足的氫氣支持家庭對能源的需求。其他研究者認為，人工樹葉技術可以在缺乏能源基礎設施的發展中國家大放異彩，為需要能源的地區提供燃料發電。

　　與此同時，JCAP的研究者和其他人也在研究其他選擇，全面推進研究進展。Lewis認為，無論哪一種科技最終取得成功，支撐人造光合作用研究的科學精神都是一致的，那就是堅韌不屈。他說：“到目前為止，人類所擁有的最大能量源就是太陽，因此儲存能量的最佳形式就是化學燃料。必須有人研究人類最大的能量源，并找出儲存能量最有效率的方法。”