“捕光革命”的技術邏輯

　　原標題：人工樹葉，捕捉陽光的革命（附照片）

　　電池托不起飛機，“樹葉”或許可以

　　無論技術如何發(fā)展，人工光合作用背后的技術邏輯是必然存在的。無機化學家、JCAP的學術帶頭人內(nèi)森·劉易斯說：“太陽是我們目前所知的最大能源。而除了儲存在原子核內(nèi)部的核能之外，最好的儲能方法就是將之以化學能的形式貯存在化學燃料中。因此，有效利用和儲存太陽能的研究必然將是大勢所趨?！?/p>

　　研究人員正帶著緊迫感從事這項研究——全球排放的溫室氣體中，大約13%來自交通運輸業(yè)。因此，逐步淘汰有污染的燃料是環(huán)保的關鍵。一個辦法是在小汽車和輕型卡車中使用電池，靠太陽能或風能驅(qū)動，但這仍無法解決全部問題。

　　劉易斯說，目前全球40%的運力暫時不太可能電氣化。例如，除非有重大突破，否則插電式混合動力飛機還不可能出現(xiàn)。按照現(xiàn)有工藝，根本造不出擁有足夠電量的電池驅(qū)動飛機。而與之相比，液體燃料使用方便、容易儲存攜帶，具有無可替代的優(yōu)勢。

　　美國加州帕薩迪納，加州理工學院，一個陽光明媚的春季早晨，人行道旁的植物正在曬太陽，并迅速利用這些能量來儲存糖分，舒展葉子，深深扎根，調(diào)控細胞的生物過程?？諝庵酗h著植物的芬芳，看起來，光合作用進行得毫不費力。

　　然而，在加州理工學院的約根森實驗室，80多名研究人員正在艱難工作。他們利用硅、鎳、鐵等元素來完成本該是樹葉最擅長的工作。事實上，這些元素更應出現(xiàn)在手機而非植物細胞中。

　　他們這間閃閃發(fā)光的新實驗室，正是“人工光合作用聯(lián)合研究中心”（JCAP）總部。擁有190余人的JCAP是由美國能源部耗資1.16億美元打造的一個為期5年的研究項目，目標是利用太陽能來制造氫氣和其他燃料，同時努力使之產(chǎn)生生物質(zhì)能源的效率超過真正的樹葉。

　　志在必得

　　目前，世界各地的科研機構(gòu)和私營公司都投入了前所未有的人力物力，研究如何從太陽能中獲取能源，并轉(zhuǎn)化為燃料。JCAP能在這些機構(gòu)中脫穎而出，不僅是因為它規(guī)模龐大，更在于它自信滿滿和志在必得的氣勢。

　　自2010年起，美國能源部開始籌建五所能源創(chuàng)新研究中心，JCAP是其中之一。五家中心都致力于基礎研究、應用研究和工程化研究。

　　JCAP的啟動經(jīng)費將于2015年用盡，按原計劃，在此之前，它將拿出一個人工樹葉的雛形。在JCAP設計研發(fā)的人工樹葉中，核心元件是兩塊浸泡在溶液中的電極。典型的電極由可以吸收特定波長光能的半導體材料制成，外層包裹著一種催化劑，用來加快將水分解為氫氣、氧氣和速度。

　　與其他很多人工光合作用裝置一樣，JCAP的系統(tǒng)中也使用一種膜，將生成的氫氣和氧氣隔開，以免發(fā)生爆炸。一旦水被分解，氫氣將被收集起來。氫氣本身就是一種燃料。在加州的一些展廳中，氫能源汽車已可以正常行駛。另外，氫氣還可以與一氧化碳反應，以進一步得到液態(tài)的烴類燃料。

　　盡管該中心沿著這個方向已取得了一些重要進展，不久前，它還剛發(fā)布了一項研究成果。但想要按時完成這一計劃仍然前路漫漫。

　　美國國家可再生能源實驗室的電化學家約翰·特納說：“這是一個非常非常具有挑戰(zhàn)性的課題。雖然回報可能很豐厚，但實際情況卻絕不像40年前我們剛開始涉足這個領域時暢想的那么簡單?！?/p>

　　激增的經(jīng)費和關注度，讓科研人員仍對打贏這場持久戰(zhàn)懷有信心。美國西北大學的化學家邁克爾·瓦西勒維斯基說：“未來10年，如果大家仍能保持現(xiàn)在這樣的工作激情和努力程度，那么一定會得到一個預想中的實用解決方案。”

　　困難重重

　　最初關于“人工光合作用”的概念描述，可以追溯到1912年，然而科學家真正開始著手這一研究，卻直到1972年才剛剛開始。當時，日本科學家最早著手設計一種裝置，希望借助它來吸收太陽能，并將水分解為氧氣和氫氣。但該計劃進展緩慢。

　　1998年，美國國家可再生能源實驗室的特納報道了他研發(fā)的一個完整系統(tǒng)。在它所吸收的太陽能中，有12%轉(zhuǎn)化為燃料，并可以被儲存。與真實樹葉1%的能量轉(zhuǎn)換和儲存效率相比，這是一個偉大的突破。

　　然而，這套系統(tǒng)的造價和運行費用超過天然樹葉的25倍。更遺憾的是，在接受光照20小時之后，它的轉(zhuǎn)化效率便開始直線下降。

　　JCAP的劉易斯說：“人工樹葉需要具備三個特點：高效、便宜和強勁。我現(xiàn)在可以同時讓它滿足任意兩點，但卻做不到同時具備這三個屬性?！?/p>

　　JCAP的任務就是去解決這一問題。在此過程中，人們希望它可以比單純通過太陽能發(fā)電來光解水還要便宜。

　　讓人工樹葉的任何一個部件正常運轉(zhuǎn)就構(gòu)成一項挑戰(zhàn)，而把它組成一個能正常工作的完整系統(tǒng)，就更困難了。

　　“這真像是在造一架飛機。”劉易斯說：“你光有引擎是遠遠不夠的，還需要設計、組裝機翼和機身，并將引擎和電子系統(tǒng)與之完美融合。最后，飛機還得能夠飛起來，否則，一切努力都將前功盡棄。”

　　很多困難源于如何選取合適的材料。例如，硅就是一種優(yōu)良的光電陰極，可以用來光解水、產(chǎn)生氫氣。但硅只在酸性溶液中才會保持穩(wěn)定，而不幸的是，產(chǎn)生氧氣的光電陽極所需環(huán)境恰恰相反，它只在堿性條件下才會穩(wěn)定。

　　不僅如此，最好的氧氣生成催化劑是銥，這種金屬稀有而且昂貴，這也限制了該裝置的商業(yè)化前景。

　　大海撈針

　　JCAP的“高通量篩選實驗室”正在使用一種特殊的工具——改造過的噴墨打印機。每天，這種打印機可以在玻璃板上打出100萬種成分不同的合金斑點，并測試其催化活性和吸光性質(zhì)。

　　可以說，每片玻璃板都相當于一座微型化學實驗室。通過這種方法，研究者可以尋找鎳、鐵、鈷和鈰氧化物等催化水光解的最佳配比。迄今為止，他們篩選了將近5500種組合，并考察了其穩(wěn)定性和功能性。

　　最好的組合往往不是最有效的反應催化劑，它必須透明以便讓光能通過，同時還得與其他元件的材料相互兼容。

　　電化學家、JCAP的領導者之一卡爾·考瓦爾指出，獲取光電陽極材料是人工光合作用最大的挑戰(zhàn)之一：“這些材料總是極不穩(wěn)定，甚至連幾分鐘都很難維持?！?/p>

　　許多研究人員將他們的注意力集中在篩選便宜并且穩(wěn)定的材料上，其中包括一些特殊的金屬氧化物，并試圖把它們制成優(yōu)良的光吸收裝置。另一些人則認為，應當在具有高效光能轉(zhuǎn)化率的材料中篩選，然后再努力使之變得穩(wěn)定、便宜。

　　今年5月，JCAP的一支團隊報道了他們采用第二條策略的成功經(jīng)驗——他們在硅等具備高效光能轉(zhuǎn)化率的材料之外，又包裹了一層具有保護作用的二氧化鈦，這大大提高了電極的穩(wěn)定性。