英國(guó)出版的Chemical Society Reviews(《化學(xué)學(xué)會(huì)評(píng)論》)雜志曾以封面形式報(bào)道了這一發(fā)現(xiàn)，圖為該雜志當(dāng)期封面圖。

　　在很多科學(xué)家看來(lái)，樹(shù)葉是利用太陽(yáng)能的“高手”。如果人類(lèi)能造出“樹(shù)葉”，或許能源問(wèn)題就能得到根本性解決。

　　美國(guó)科學(xué)家丹尼爾·諾切拉(Daniel Nocera)日前在第241屆美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的年會(huì)上宣布了其研究小組的最新進(jìn)展——一種廉價(jià)高效的“人工樹(shù)葉”。他在報(bào)告中說(shuō)：“將一加侖水和人造樹(shù)葉放置在陽(yáng)光下，可以提供發(fā)展中國(guó)家一個(gè)家庭一天的基本用電。”這個(gè)發(fā)明引起了科學(xué)界乃至世界各國(guó)主流媒體的關(guān)注——它被認(rèn)為是人類(lèi)尋找替代能源的征程中一個(gè)里程碑式的發(fā)明，甚至有人認(rèn)為這片小小的“樹(shù)葉”可能將徹底解決未來(lái)的能源和與之相關(guān)的環(huán)境問(wèn)題。

　　“人工樹(shù)葉”簡(jiǎn)介
　　“人工樹(shù)葉”是一種如撲克牌大小的片狀材料，使用方法也非常簡(jiǎn)單：將它放在水中，暴露在太陽(yáng)光下，即可將水有效地分解為氧氣和氫氣，這些氣體再被輸送到一個(gè)分離的燃料電池中儲(chǔ)存并發(fā)出電力。

　　原理：電解水的過(guò)程
　　在說(shuō)“人工樹(shù)葉”之前，先讓我們來(lái)了解一下自然界的樹(shù)葉是怎么工作的。我們知道，植物是通過(guò)光合作用獲取生長(zhǎng)所需的能量的。這其中的原理非常復(fù)雜。簡(jiǎn)單地講，樹(shù)葉中有兩套系統(tǒng)：光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)II。光系統(tǒng)Ⅰ負(fù)責(zé)吸收二氧化碳，生成植物生長(zhǎng)需要的有機(jī)物。光系統(tǒng)II負(fù)責(zé)吸收太陽(yáng)光，并將水分解為氧氣，同時(shí)產(chǎn)生質(zhì)子和電子。事實(shí)上，地球上95%的氧氣來(lái)源于這一過(guò)程，而產(chǎn)生的電子和質(zhì)子將會(huì)參與到與二氧化碳的反應(yīng)中，從而生成淀粉及糖類(lèi)有機(jī)物用于植物生長(zhǎng)。當(dāng)然，這中間還涉及許多復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程，在這我們不再詳細(xì)敘述。
　　與我們這一主題相關(guān)的是光系統(tǒng)II。在這一過(guò)程中，最關(guān)鍵、最復(fù)雜、也是最困難的過(guò)程就是將水分解為氧氣。而在諾切拉教授的報(bào)告中提及的“人工樹(shù)葉”，其核心正是模仿了樹(shù)葉的這一過(guò)程——通過(guò)一種化學(xué)催化材料，將水在一定的電壓下高效地電解為氧氣，同時(shí)產(chǎn)生質(zhì)子和電子；產(chǎn)生的質(zhì)子與電子可以結(jié)合，生成氫氣，提供一種清潔的能源。在這一過(guò)程中所需的電力，將由硅太陽(yáng)能電池供給。
　　看了上面的介紹，也許有些人會(huì)有點(diǎn)失望，所謂“人工樹(shù)葉”原來(lái)就是電解水啊，這不就是我們?cè)诟咧谢瘜W(xué)時(shí)就學(xué)過(guò)的反應(yīng)嗎！簡(jiǎn)單講，不就是用太陽(yáng)能發(fā)電，再用電解水制氫氣和氧氣，然后再用氫氣和氧氣通過(guò)燃料電池來(lái)發(fā)電。
　　其實(shí)，諾切拉教授發(fā)明的核心就在于他們發(fā)現(xiàn)了高效廉價(jià)的電解水的電極催化材料，從而使得這一過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性大大增加，讓規(guī)模化應(yīng)用成為可能。事實(shí)上，關(guān)于“人工樹(shù)葉”的研究可以追溯到十多年前，但由于往往利用鉑、釕等貴金屬作為催化材料，而且壽命短暫，因此很難進(jìn)一步進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用。而諾切拉的研究小組則采用相對(duì)廉價(jià)的鈷、鎳等金屬化合物以及磷酸鹽作為電極催化材料，不僅催化效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料，而且壽命更長(zhǎng)、更穩(wěn)定，使成本大大降低。

　　核心：高效的儲(chǔ)能方法
　　我們知道，現(xiàn)在太陽(yáng)能電池已經(jīng)得到了很大發(fā)展，但其最大的問(wèn)題是缺乏持續(xù)性——只有白天或者光照條件好的情況下才可以發(fā)電，到了晚上或陰雨天，不僅無(wú)法產(chǎn)生電力，那些在白天產(chǎn)生的電力也不能儲(chǔ)存。也就是說(shuō)，如果不能即時(shí)使用，就會(huì)浪費(fèi)掉。
　　而“人工樹(shù)葉”則有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。白天，將太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力通過(guò)電解水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣，作為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)；晚上或陰雨天，又可以隨時(shí)通過(guò)燃料電池將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。
　　或許很多人會(huì)問(wèn)，為什么我們要通過(guò)這么復(fù)雜的一種方式儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池所發(fā)出的電力呢，我們有非常成熟的電池或其他方式啊！事實(shí)上也確實(shí)有人在這么做。但問(wèn)題的關(guān)鍵在于“人造樹(shù)葉”有其他方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。
　　首先，“人造樹(shù)葉”的儲(chǔ)能效率非常高。舉個(gè)例子，電池的能量密度只能達(dá)到約0.1-0.5MJ/kg，超級(jí)電容器僅為約0.01MJ/kg，而氫氣的能量密度卻高達(dá)140MJ/kg。通俗點(diǎn)說(shuō)，同樣質(zhì)量的氫氣儲(chǔ)存的能量是電池的1400倍，是超級(jí)電容器的14000倍。利用氫氣化學(xué)儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)是多么明顯?。∑浯?，在這一過(guò)程中，所消耗掉的僅僅是水，因此也被形象地稱(chēng)為“水燃料”。事實(shí)上，即使是這些水在隨后的放電過(guò)程中也會(huì)被再生出來(lái)，因此這一過(guò)程所需的僅僅是太陽(yáng)光照而已。講到這里，我想讀者應(yīng)該了解了：“人工樹(shù)葉”并非一種新的獲取能源的方式，其核心是一種高效的儲(chǔ)存能源的方法。

　　未來(lái)：發(fā)展空間無(wú)限
　　在為這一發(fā)明興奮的同時(shí)，我們還應(yīng)該清醒地意識(shí)到，所謂的“人工樹(shù)葉”其實(shí)還存在著較大的局限性。首先，“人工樹(shù)葉”并未真正實(shí)現(xiàn)自然界早已運(yùn)行上億年的樹(shù)葉的全部功能，它僅僅模仿了樹(shù)葉中光系統(tǒng)II中的局部功能。其次，它的運(yùn)行也要依賴(lài)太陽(yáng)能電池和燃料電池來(lái)完成。再次，它還需要新型的廉價(jià)的壓縮氣體系統(tǒng)以?xún)?chǔ)存所產(chǎn)生的氫氣和氧氣，然后用于發(fā)電。因此，要把這一發(fā)明真正規(guī)模化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。
　　即便如此，我們?nèi)匀豢梢钥吹竭@一發(fā)明在未來(lái)發(fā)展的廣闊前景。正如前面所講，這一發(fā)明的核心在于將電能高效地以氫能的形式儲(chǔ)存起來(lái)。因此，其電力的來(lái)源也將不會(huì)僅局限于太陽(yáng)能電池，也可以是風(fēng)能、地?zé)崮?、核能，甚至化石燃料的化學(xué)能等。比如說(shuō)，很多人參觀風(fēng)力發(fā)電廠時(shí)會(huì)奇怪為什么有些風(fēng)機(jī)并不運(yùn)轉(zhuǎn)，這并不是因?yàn)槲覀冇刑嗟碾娏α耍且驗(yàn)殡娋W(wǎng)無(wú)法承受這些多出來(lái)的電力。據(jù)報(bào)道，由于無(wú)處儲(chǔ)存，僅在美國(guó)，去年一年就損失了25TWh的風(fēng)機(jī)潛在電力。而這一發(fā)明無(wú)疑將為解決這個(gè)問(wèn)題提供新的途徑。
　　“人造樹(shù)葉”還有很大的發(fā)展空間。也許在不遠(yuǎn)的將來(lái)，“人造樹(shù)葉”也能兼具光系統(tǒng)Ⅰ的功能：通過(guò)合適的化學(xué)反應(yīng)，讓“人造樹(shù)葉”吸收二氧化碳生成有機(jī)物。在如今地球已不堪重負(fù)的今天，將廢棄有害的二氧化碳通過(guò)這種類(lèi)似于光合作用的方式轉(zhuǎn)化成對(duì)人類(lèi)有用的有機(jī)物(如糖、醇類(lèi)等)，將是多么偉大的發(fā)明??！