陽光的最佳俘獲者—人造樹葉(化學(xué)教學(xué)20119)

1、發(fā)表期刊：化學(xué)教學(xué) 2011年第9期陽光的最佳俘獲者人造樹葉但世輝，陳莉莉 （襄陽市東風(fēng)中學(xué)，湖北襄陽 441004）摘要：面對21世紀(jì)環(huán)境污染和能源短缺兩大世界性的難題，本文在闡述人造樹葉工作原理的基礎(chǔ)上，比較了人造樹葉的不足和獨(dú)特優(yōu)勢，分析了人造樹葉研制過程中遇到的技術(shù)瓶頸，并探討了其應(yīng)用價值和發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：人造樹葉；光合作用，氫燃料，能量轉(zhuǎn)換；催化劑 隨著全球氣候變暖的日益加劇，在未來40年，人類必須生產(chǎn)出至少10萬億瓦不含碳的清潔能源。倘若利用水能，即便將地球上所有的江河湖泊都筑上堤壩建成水電站，也只能提供5萬億瓦的電能；倘若利用核能，那么必須在未來40年每兩天就必須建成一座核反應(yīng)

2、堆。顯然上述兩種能源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人類對清潔能源的巨大缺口。于是許多科學(xué)家將目光瞄準(zhǔn)了地球上最普通的兩種物質(zhì)陽光和樹葉。太陽光能給人類提供每平方米高達(dá)1000瓦的能量，而樹葉可以利用這些能量進(jìn)行光合作用并就地產(chǎn)生化學(xué)能。假如人類能設(shè)計出這樣的一種裝置：像樹葉的光合作用那樣將這些太陽光進(jìn)行俘獲并就地產(chǎn)生清潔能源氫燃料，那么我們就可以利用這些氫燃料，就像使用石油和天然氣一樣，用于驅(qū)動汽車、產(chǎn)生熱量以及發(fā)電?？茖W(xué)家把這樣的一種裝置形象地稱之為人造樹葉。1 人造樹葉的構(gòu)成及工作原理事實上，人造樹葉只是一個技術(shù)概念，并不專指某一片葉子。這種技術(shù)主要是模擬真實植物的光合作用原理：用人工材料制成小巧輕薄的片狀

3、，浸泡在水中，經(jīng)過太陽光的照射，水被分解為氧氣和氫氣，這些氣體儲存起來可用于發(fā)電。所謂的“葉子”，只是一塊高級的太陽能電池。太陽光子硅納米線水分子氫離子塑料薄膜氫離子氫氣圖1 人造樹葉工作原理示意圖人造樹葉目前只能在全球少數(shù)的幾個實驗室中可以制造出原型，比如美國加州理工學(xué)院化學(xué)家內(nèi)森·S·劉易斯所在的實驗室，他們研制出的“樹葉”比計算機(jī)芯片大不了多少（圖1），可以像天然樹葉的光合作用那樣利用太陽能將水分解得到氫燃料。這種人造樹葉主要由半導(dǎo)體納米線陣列和透明塑料薄膜構(gòu)成。半導(dǎo)體納米線陣列由非晶硅納米線制成，像用于制造太陽能電池的多晶硅那樣可以吸收太陽光子，進(jìn)而將太陽能轉(zhuǎn)化為電

4、能。此外在半導(dǎo)體納米線陣列上還嵌有催化劑，主要用于分解水并提升反應(yīng)速率。透明塑料薄膜將半導(dǎo)體納米線一分為二，像質(zhì)子交換膜那樣允許氫離子從上部穿出并游離至下部與電子結(jié)合。當(dāng)太陽光照射到人造樹葉上，半導(dǎo)體納米線陣列將太陽光子吸收進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能產(chǎn)生電子。在半導(dǎo)體納米線陣列內(nèi)部，在催化劑的幫助下產(chǎn)生的電能用于把水分解為氫離子和氧氣，氫離子穿過塑料薄膜，與電子結(jié)合產(chǎn)生氫氣，得到氫燃料，具體的反應(yīng)為：塑料薄膜上部：2H2O4 e= O2+ 4H 塑料薄膜下部：4H+ 4 e = 2H22 人造樹葉與天然樹葉的差距 雖然人造樹葉是模仿天然樹葉的光合作用設(shè)計而成的，但就目前的科技水平而言，人造樹葉與天然樹葉相

5、比還存在著較大的差距（表1）。表1 人造樹葉和天然樹葉工作性能的比較工作過程比較說明能量轉(zhuǎn)換階段人造樹葉利用的是半導(dǎo)體納米線，光能轉(zhuǎn)換為電能的效率只有7%左右；天然樹葉利用的是葉綠體中的類囊體，能量轉(zhuǎn)換效率在20%左右水分解階段雖然二者均是將水分解為氫離子和氧氣，但人造樹葉需要有一種高效、廉價的催化劑，這種理想的催化劑目前仍在研究之中，而天然樹葉可直接在葉綠體內(nèi)快速將水分解氫離子還原階段人造樹葉中氫離子的還原仍然需要一種理想的催化劑的促進(jìn)作用方可產(chǎn)生氫氣；而在天然樹葉中，氫離子與電子以及二氧化碳直接就可在基質(zhì)中合成葡萄糖目前，人造樹葉只能在實驗室中設(shè)計完成，尚不能推廣使用，因為人造樹葉的設(shè)計尚

6、存在兩大難題。首先在于半導(dǎo)體納米線的光電轉(zhuǎn)換效率太低，只有7% 左右，而要滿足全球的能源需求，人造樹葉中的光電轉(zhuǎn)換效率必須達(dá)到10%以上。就目前的科技水平而言，若要提高轉(zhuǎn)換效率可以使用商業(yè)化光伏電池，其轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到20%甚至更高，但問題是用光伏電池設(shè)計出來的人造樹葉體形過于龐大，并且光伏電池必須用到價格十分昂貴的晶體硅，這樣勢必造成生產(chǎn)成本過大，難以普及。因此，還需要找到新興的可大規(guī)模生產(chǎn)的太陽能采集技術(shù)，正如加州理工學(xué)院的劉易斯教授所說的那樣：“我們需要像土豆一樣便宜的芯片而不是硅芯片”，而劉易斯的團(tuán)隊正效力于這種芯片的研究，并且有了一定的突破。他們設(shè)計出了一種光能收集器，由嵌在透明塑料

7、薄膜上的硅納米線制成（見圖1）。劉易斯說，如果做得足夠大，它就可以像毯子一樣卷起和攤開。雖然硅納米線的光電轉(zhuǎn)換效率與光伏電池20%的轉(zhuǎn)換效率相比還有很大差距，但相比之下，用硅納米線制成的人造樹葉的生產(chǎn)成本比較低，就像報紙用的紙一樣廉價，即使轉(zhuǎn)換效率較低，也是可以接受的。其次，人造樹葉中水的分解過程必須依賴于催化劑，而這種催化劑最好具有催化效率高、價格低廉的特點，但是目前用于分解水的催化劑均不能同時滿足以上兩種要求。比如說金屬鉑，它是目前催化水分解最好的材料，其催化效率可以達(dá)到普通樹葉的12倍，但由于鉑是一種比較稀缺的貴金屬，價格高達(dá)每克350元人民幣，因此尋找廉價、高效的催化劑成為了人造樹葉急

8、需解決的另一重大難題。所幸的是，催化劑的尋找已經(jīng)有了突破。2008年，美國麻省理工學(xué)院諾切拉教授和他的一位同事無意中發(fā)現(xiàn)，由磷和鈷構(gòu)成的一種材料能夠催化產(chǎn)生氧氣，這是水分解反應(yīng)的一個必要步驟。對于其反應(yīng)機(jī)理，諾切拉認(rèn)為是帶正電的鈷離子從水中的氫原子中奪走了電子，同時釋放了氧。值得注意的是反應(yīng)中氧的生成速度與光合作用相當(dāng)，尤為重要的是這種催化劑具有自我修復(fù)能力，這也與樹葉的特性相仿，更令人興奮的是：在光合作用過程中，樹葉每半小時修復(fù)一次，這種催化劑自我修復(fù)能力甚至比樹葉還要高效。此外，鈷和磷是兩種既便宜又豐富的元素，假如用其替換金屬鉑，那么人造樹葉的成本將會大大降低。因此，許多科學(xué)家認(rèn)為這種催化

9、劑的發(fā)現(xiàn)是實現(xiàn)“人工光合作用”的一次重大飛躍，就像諾切拉所預(yù)言的那樣：有了這種催化劑的幫助，人們就可以使用自家后院里不太貴的設(shè)備自行研制生產(chǎn)驅(qū)動汽車所需的氫燃料了。3 人造樹葉的獨(dú)特優(yōu)勢和應(yīng)用設(shè)計人造樹葉和已經(jīng)推廣使用的太陽能電池相比，雖然二者利用的都是太陽能，但人造樹葉卻擁有著一些獨(dú)特的優(yōu)勢（表2），正是這些優(yōu)勢讓科學(xué)家們深信：未來人造樹葉一定可以取代太陽能電池成為陽光的最佳俘獲者。表2 人造樹葉和太陽能電池的優(yōu)勢比較電池項目太陽能電池人造樹葉生產(chǎn)原料多晶硅為主要原料，每生產(chǎn)1MW太陽能電池，大約需要15噸左右的多晶硅，成本較高三結(jié)非晶硅為基礎(chǔ)原料，用于硅納米線陣列的制成，價格低廉，耗能少，

10、更利于推廣工作原理依賴于電池板上鋪設(shè)的電線進(jìn)行工作，反應(yīng)速度和工作強(qiáng)度不是很高將非晶硅設(shè)計成納米線陣列，并且固定在塑料薄膜上，提高了工作的穩(wěn)定性，同時將催化劑嵌在納米線陣列外部，用于提高反應(yīng)速率和工作強(qiáng)度提供功能只能將太陽能轉(zhuǎn)化為電能供用戶使用不僅可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，同時還可產(chǎn)生氫能源適用范圍只在晴天有充足光照時尚可發(fā)電不僅晴天可以發(fā)電，當(dāng)日照不足時還可啟用儲存的氫氣進(jìn)行二次發(fā)電外形大小太陽能電池板體形較大，適合在建筑物外部使用，比如房頂?shù)润w形可設(shè)計成撲克牌那樣單薄，不僅可用于家用發(fā)電，還可用于內(nèi)部供電，比如汽車等圖2 太陽能燃料電池工作示意圖當(dāng)然，人造樹葉最大的應(yīng)用價值在于氫燃料的獲得，

11、除此之外科學(xué)家們也設(shè)計出了人造樹葉的另一重大應(yīng)用：將許多片人造樹葉進(jìn)行有序組合，制成太陽能電池薄膜，同時連接上燃料電池，利用人造樹葉產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行二次發(fā)電，這樣就構(gòu)成了一種新的發(fā)電裝置：太陽能燃料電池（圖2）。將人造樹葉與燃料電池進(jìn)行組合而成的太陽能燃料電池最大的優(yōu)點在于它存在兩種發(fā)電方式：當(dāng)日照充足時，人造樹葉中的硅納米線陣列以滿功率發(fā)電。由于白天用電負(fù)荷輕，多余電能便在硅納米線陣列內(nèi)部用于電解水得到氫氣，在夜晚或陰天無日照時燃料電池利用氫氣進(jìn)行二次發(fā)電，供用戶使用；當(dāng)日照不足，硅納米線陣列發(fā)出的電能不能滿足負(fù)載需求時，啟用燃料電池和硅納米線陣列同時發(fā)電，一起為負(fù)載供電。與傳統(tǒng)的火力、水利和

12、核電技術(shù)相比，這種電池具有的最大優(yōu)勢在于：無論天氣如何，均能持續(xù)不斷地供應(yīng)電能和氫能源，并且對環(huán)境影響小。4 人造樹葉的研究進(jìn)展和發(fā)展前景有關(guān)人造樹葉的研究最早可追溯到1972年。當(dāng)時，日本學(xué)者藤島昭和他的導(dǎo)師共同在科學(xué)雜志上發(fā)表了一篇論文，這篇論文的核心便是使化學(xué)過程模擬了光合作用，就此，人造樹葉的概念第一次進(jìn)入科學(xué)家的視野。時隔20多年后的1998年，美國國家可再生能源實驗室的約翰·特納博士才研制出了世界上第一片人造樹葉。他使用砷化鎵制成的樹葉來分解水，釋放出了氫和氧。這種人造樹葉最大缺點在于砷化鎵素有“半導(dǎo)體貴族”之稱，價格昂貴。2010年，上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點實

13、驗室的科學(xué)家們將“人造樹葉”的技術(shù)發(fā)布在當(dāng)年的美國科學(xué)學(xué)會上。這個團(tuán)隊用中國特有的植物打碗碗花做實驗，先找到自然葉子收獲陽光的結(jié)構(gòu)，再研制一種在功能上替代這種結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)，并且獲得了成功，為這片葉子貼上了“中國制造”的標(biāo)簽。遺憾的是，這些成果都沒有進(jìn)入實用領(lǐng)域，不是因為造價太昂貴，就是因為不穩(wěn)定易銹蝕。直到2011年3月27日，也就是在美國第241屆化學(xué)學(xué)會上，美國麻省理工學(xué)院的丹尼爾·諾切拉博士公布了自己團(tuán)隊研發(fā)的人造樹葉。在眾人的矚目下，一片人造樹葉被放入3.7升水中，在陽光下迅速放出氫氣，這些氫能源（用于發(fā)電）相當(dāng)于一個發(fā)展中國家的家庭一天的能源需求。這種“樹葉”的最大特點是實用性，由于所用材料價格低廉，未來它有可能成為超市貨架上的商品。雖然目前人造樹葉還沒有準(zhǔn)備好投入商業(yè)生產(chǎn)。但盡管如此，許多科學(xué)家依然對這項技術(shù)的前景充滿樂觀，因為人造樹葉將引領(lǐng)全球朝著可持續(xù)發(fā)展的無碳、低耗的氫能產(chǎn)業(yè)和氫能經(jīng)濟(jì)邁進(jìn)。就像諾切拉博士說的那樣：“人造樹葉顯示了它的巨大潛力，它能為人類提供更加便宜、清潔的能源?！睂嶋H上，諾切拉所在的實驗室已經(jīng)與印度的塔塔集團(tuán)達(dá)成了合作協(xié)議。并且到今年年底，他們將可能在印度擁有基地?？茖W(xué)家之所以如此看好人造樹葉的發(fā)展前