编译作者：郑庆飞，来源：文汇报 第981期 2014年8月27日  星期三 第10版，主编：邱德青，责编：张懿

 电池托不起飞机，“树叶”或许可以

 无论技术如何发展，人工光合作用背后的技术逻辑是必然存在的。无机化学家、JCAP的学术带头人内森·刘易斯说：“太阳是我们目前所知的最大能源。而除了储存在原子核内部的核能之外，最好的储能方法就是将之以化学能的形式贮存在化学燃料中。因此，有效利用和储存太阳能的研究必然将是大势所趋。”

 研究人员正带着紧迫感从事这项研究——全球排放的温室气体中，大约13%来自交通运输业。因此，逐步淘汰有污染的燃料是环保的关键。一个办法是在小汽车和轻型卡车中使用电池，靠太阳能或风能驱动，但这仍无法解决全部问题。

  刘易斯说，目前全球40%的运力暂时不太可能电气化。例如，除非有重大突破，否则插电式混合动力飞机还不可能出现。按照现有工艺，根本造不出拥有足够电量的电池驱动飞机。而与之相比，液体燃料使用方便、容易储存携带，具有无可替代的优势。 

   美国加州帕萨迪纳，加州理工学院，一个阳光明媚的春季早晨，人行道旁的植物正在晒太阳，并迅速利用这些能量来储存糖分，舒展叶子，深深扎根，调控细胞的生物过程。空气中飘着植物的芬芳，看起来，光合作用进行得毫不费力。

  然而，在加州理工学院的约根森实验室，80多名研究人员正在艰难工作。他们利用硅、镍、铁等元素来完成本该是树叶最擅长的工作。事实上，这些元素更应出现在手机而非植物细胞中。

  他们这间闪闪发光的新实验室，正是“人工光合作用联合研究中心”（JCAP）总部。拥有190余人的JCAP是由美国能源部耗资1.16亿美元打造的一个为期5年的研究项目，目标是利用太阳能来制造氢气和其他燃料，同时努力使之产生生物质能源的效率超过真正的树叶。

 志在必得

  目前，世界各地的科研机构和私营公司都投入了前所未有的人力物力，研究如何从太阳能中获取能源，并转化为燃料。JCAP能在这些机构中脱颖而出，不仅是因为它规模庞大，更在于它自信满满和志在必得的气势。

  自2010年起，美国能源部开始筹建五所能源创新研究中心，JCAP是其中之一。五家中心都致力于基础研究、应用研究和工程化研究。

  JCAP的启动经费将于2015年用尽，按原计划，在此之前，它将拿出一个人工树叶的雏形。在JCAP设计研发的人工树叶中，核心元件是两块浸泡在溶液中的电极。典型的电极由可以吸收特定波长光能的半导体材料制成，外层包裹着一种催化剂，用来加快将水分解为氢气、氧气和速度。

  与其他很多人工光合作用装置一样，JCAP的系统中也使用一种膜，将生成的氢气和氧气隔开，以免发生爆炸。一旦水被分解，氢气将被收集起来。氢气本身就是一种燃料。在加州的一些展厅中，氢能源汽车已可以正常行驶。另外，氢气还可以与一氧化碳反应，以进一步得到液态的烃类燃料。

  尽管该中心沿着这个方向已取得了一些重要进展，不久前，它还刚发布了一项研究成果。但想要按时完成这一计划仍然前路漫漫。

  美国国家可再生能源实验室的电化学家约翰·特纳说：“这是一个非常非常具有挑战性的课题。虽然回报可能很丰厚，但实际情况却绝不像40年前我们刚开始涉足这个领域时畅想的那么简单。”

  激增的经费和关注度，让科研人员仍对打赢这场持久战怀有信心。美国西北大学的化学家迈克尔·瓦西勒维斯基说：“未来10年，如果大家仍能保持现在这样的工作激情和努力程度，那么一定会得到一个预想中的实用解决方案。” 

困难重重

  最初关于“人工光合作用”的概念描述，可以追溯到1912年，然而科学家真正开始着手这一研究，却直到1972年才刚刚开始。当时，日本科学家最早着手设计一种装置，希望借助它来吸收太阳能，并将水分解为氧气和氢气。但该计划进展缓慢。

  1998年，美国国家可再生能源实验室的特纳报道了他研发的一个完整系统。在它所吸收的太阳能中，有12%转化为燃料，并可以被储存。与真实树叶1%的能量转换和储存效率相比，这是一个伟大的突破。

  然而，这套系统的造价和运行费用超过天然树叶的25倍。更遗憾的是，在接受光照20小时之后，它的转化效率便开始直线下降。

  JCAP的刘易斯说：“人工树叶需要具备三个特点：高效、便宜和强劲。我现在可以同时让它满足任意两点，但却做不到同时具备这三个属性。”

  JCAP的任务就是去解决这一问题。在此过程中，人们希望它可以比单纯通过太阳能发电来光解水还要便宜。

  让人工树叶的任何一个部件正常运转就构成一项挑战，而把它组成一个能正常工作的完整系统，就更困难了。

  “这真像是在造一架飞机。”刘易斯说：“你光有引擎是远远不够的，还需要设计、组装机翼和机身，并将引擎和电子系统与之完美融合。最后，飞机还得能够飞起来，否则，一切努力都将前功尽弃。”

  很多困难源于如何选取合适的材料。例如，硅就是一种优良的光电阴极，可以用来光解水、产生氢气。但硅只在酸性溶液中才会保持稳定，而不幸的是，产生氧气的光电阳极所需环境恰恰相反，它只在碱性条件下才会稳定。

  不仅如此，最好的氧气生成催化剂是铱，这种金属稀有而且昂贵，这也限制了该装置的商业化前景。 

大海捞针

  JCAP的“高通量筛选实验室”正在使用一种特殊的工具——改造过的喷墨打印机。每天，这种打印机可以在玻璃板上打出100万种成分不同的合金斑点，并测试其催化活性和吸光性质。

  可以说，每片玻璃板都相当于一座微型化学实验室。通过这种方法，研究者可以寻找镍、铁、钴和铈氧化物等催化水光解的最佳配比。迄今为止，他们筛选了将近5500种组合，并考察了其稳定性和功能性。

  最好的组合往往不是最有效的反应催化剂，它必须透明以便让光能通过，同时还得与其他元件的材料相互兼容。

电化学家、JCAP的领导者之一卡尔·考瓦尔指出，获取光电阳极材料是人工光合作用最大的挑战之一：“这些材料总是极不稳定，甚至连几分钟都很难维持。”

  许多研究人员将他们的注意力集中在筛选便宜并且稳定的材料上，其中包括一些特殊的金属氧化物，并试图把它们制成优良的光吸收装置。另一些人则认为，应当在具有高效光能转化率的材料中筛选，然后再努力使之变得稳定、便宜。

  今年5月，JCAP的一支团队报道了他们采用第二条策略的成功经验——他们在硅等具备高效光能转化率的材料之外，又包裹了一层具有保护作用的二氧化钛，这大大提高了电极的稳定性。

  考瓦尔说：“这是第一代原型机制造过程中的最后一个部件。”据他预测，JCAP将在未来几个月内实现人工树叶的试运转。