神秘的人工树叶

姓名:张志彪          学号:16050120102

转载自https://wapbaike.baidu.com/item/

【嵌牛导读】如今社会发展迅速，人类科技需要的能源越来越多，然而世界上的能源量是有限的，为了长久的发展，就必须要解决能源危机。所以现在社会上创造出了“人工树叶”来解决这一问题。

【嵌牛鼻子】  光合作用      发电

【嵌牛提问】人工树叶是什么？它的基本原理是什么？发展前景怎么样？

【嵌牛正文】人工树叶是一种如扑克牌大小的片状材料，复制了自然界中植物利用阳光将水、二氧化碳转化成氧气和碳水化合物类燃料的过程。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。

        植物是通过光合作用获取生长所需的能量的。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。

        “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。

        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。

        2013年，诺塞拉在美国麻省理工学院化学系从事研究工作。他曾经指出，人造树叶的想法来自化学家早些年的想象，终有一天会发现“植物们守护着的秘密”。诺塞拉说，最重要的秘密是水分解成氢气和氧气的过程。在人造树叶两面分别产生氢气和氧气的薄膜中间夹着日光收集器。将人工树叶放入阳光照射下的水中，人造树叶周围会产生气泡，释放出的氢气能用于为燃料电池产生电力。这些能自给自足的廉价供能单位，对需要电力的偏远地区和发展中国家很有吸引力，但迄今为止的设计都依赖像铂那样昂贵的金属和高成本的制造工艺上。

        为了使这些设备得到更广泛的应用，诺塞拉将用于产生氢气的催化剂铂用镍钼锌合金替代。在叶子的另一面，有一层用钴做的薄膜用来产生氧气。诺塞拉指出，所有这些材料在地球上都十分丰富，不像稀有昂贵的金属铂、贵金属氧化物和已经被其他人使用过的半导体材料。

        不久后，诺塞拉从麻省理工学院来到哈佛大学，便和希尔韦开始合作。他们在“个性化的能源”或制造能源本地化的理念上达成一致，认为能源本地化将在发展中国家具有吸引力。这是相对于当前的能源系统，比如石油需集中生产，然后送到加油站的制造能源方式。

        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。

        2015年3月，美国哈佛大学艺术与科学学院、哈佛医学院和威斯生物工程研究所受树叶的启发，创造出一种利用细菌将太阳能转化为液体燃料的“人造树叶”系统，使用催化剂使阳光将水分解为氢气和氧气，设计一种细菌将二氧化碳加氢转化为液体燃料异丙醇。该研究结果发表在美国《国家科学院学报》上。

        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。“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。

        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。

        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)。