日前，美國科學家丹尼爾-諾切拉（Daniel Nocera）在第241屆美國化學學會的年會上宣布了其研究小組的最新進展——一種廉價高效的“人工樹葉”。他在報告中說：“將一加侖水和人造樹葉 放置在陽光下，可以提供發(fā)展中國家一個家庭一天的基本用電�！边@個發(fā)明引起了科學界乃至世界各國主流媒體的關(guān)注——它被認為是人類尋找替代能源的征程中一個里程碑式的發(fā)明，甚至有人認為這片小小的“樹葉”可能將徹底解決未來的能源和與之相關(guān)的環(huán)境問題。 5&%M L  
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“人工樹葉”簡介 )VQ[}iT  
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“人工樹葉”是一種如撲克牌大小的片狀材料，使用方法也非常簡單：將它放在水中，暴露在太陽光下，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分離的燃料電池中儲存并發(fā)出電力。 6r"NU`1A;r  
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原理：電解水的過程 by1q"\-,  
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在 說“人工樹葉”之前，先讓我們來了解一下自然界的樹葉是怎么工作的。我們知道，植物是通過光合作用獲取生長所需的能量的。這其中的原理非常復雜。簡單地 講，樹葉中有兩套系統(tǒng)：光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)II。光系統(tǒng)Ⅰ負責吸收二氧化碳，生成植物生長需要的有機物。光系統(tǒng)II負責吸收太陽光，并將水分解為氧氣，同時 產(chǎn)生質(zhì)子和電子。事實上，地球上95%的氧氣來源于這一過程，而產(chǎn)生的電子和質(zhì)子將會參與到與二氧化碳的反應(yīng)中，從而生成淀粉及糖類有機物用于植物生長。 當然，這中間還涉及許多復雜的生化反應(yīng)過程，在這我們不再詳細敘述。 a=$ZM4Bn  
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與我們這一主題相 關(guān)的是光系統(tǒng)II。在這一過程中，最關(guān)鍵、最復雜、也是最困難的過程就是將水分解為氧氣。而在諾切拉教授的報告中提及的“人工樹葉”，其核心正是模仿了樹 葉的這一過程——通過一種化學催化材料，將水在一定的電壓下高效地電解為氧氣，同時產(chǎn)生質(zhì)子和電子；產(chǎn)生的質(zhì)子與電子可以結(jié)合，生成氫氣，提供一種清潔的 能源。在這一過程中所需的電力，將由硅太陽能電池供給。 qGq]E`O  
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看了上面的介紹，也許有些人會有點失望，所謂“人工樹葉”原來就是電解水啊，這不就是我們在高中化學時就學過的反應(yīng)嗎！簡單講，不就是用太陽能發(fā)電，再用電解水制氫氣和氧氣，然后再用氫氣和氧氣通過燃料電池來發(fā)電。 yLf9cS6=  
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其 實，諾切拉教授發(fā)明的核心就在于他們發(fā)現(xiàn)了高效廉價的電解水的電極催化材料，從而使得這一過程的經(jīng)濟性大大增加，讓規(guī)模化應(yīng)用成為可能。事實上，關(guān)于“人 工樹葉”的研究可以追溯到十多年前，但由于往往利用鉑、釕等貴金屬作為催化材料，而且壽命短暫，因此很難進一步進行規(guī)�；瘧�(yīng)用。而諾切拉的研究小組則采用 相對廉價的鈷、鎳等金屬化合物以及磷酸鹽作為電極催化材料，不僅催化效率遠高于傳統(tǒng)材料，而且壽命更長、更穩(wěn)定，使成本大大降低。 4x ?NCD=k  
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核心：高效的儲能方法 u$tst_y-  
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我們知道，現(xiàn)在太陽能電池已經(jīng)得到了很大發(fā)展，但其最大的問題是缺乏持續(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，不僅無法產(chǎn)生電力，那些在白天產(chǎn)生的電力也不能儲存。也就是說，如果不能即時使用，就會浪費掉。 B^9C}QB
 
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而“人工樹葉”則有效地解決了這個問題。白天，將太陽能電池產(chǎn)生的電力通過電解水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣，作為化學能儲存起來；晚上或陰雨天，又可以隨時通過燃料電池將儲存的化學能轉(zhuǎn)化為電能。 a5Vlfx  
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或許很多人會問，為什么我們要通過這么復雜的一種方式儲存太陽能電池所發(fā)出的電力呢，我們有非常成熟的電池或其他方式啊！事實上也確實有人在這么做。但問題的關(guān)鍵在于“人造樹葉”有其他方式無法比擬的優(yōu)勢。 G1it 3^*$  
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首 先，“人造樹葉”的儲能效率非常高。舉個例子，電池的能量密度只能達到約0.1-0.5MJ/kg，超級電容器僅為約0.01MJ/kg，而氫氣的能量密 度卻高達140MJ/kg。通俗點說，同樣質(zhì)量的氫氣儲存的能量是電池的1400倍，是超級電容器的14000倍。利用氫氣化學儲能的優(yōu)勢是多么明顯��！ 其次，在這一過程中，所消耗掉的僅僅是水，因此也被形象地稱為“水燃料”。事實上，即使是這些水在隨后的放電過程中也會被再生出來，因此這一過程所需的僅 僅是太陽光照而已。講到這里，我想讀者應(yīng)該了解了：“人工樹葉”并非一種新的獲取能源的方式，其核心是一種高效的儲存能源的方法。 : F3UJ[V  
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未來：發(fā)展空間無限 Pg.JI:>2Ku  
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在 為這一發(fā)明興奮的同時，我們還應(yīng)該清醒地意識到，所謂的“人工樹葉”其實還存在著較大的局限性。首先，“人工樹葉”并未真正實現(xiàn)自然界早已運行上億年的樹 葉的全部功能，它僅僅模仿了樹葉中光系統(tǒng)II中的局部功能。其次，它的運行也要依賴太陽能電池和燃料電池來完成。再次，它還需要新型的廉價的壓縮氣體系統(tǒng) 以儲存所產(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)�；瘧�(yīng)用還有很長的路要走。 0Gj/yra9MO  
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即 便如此，我們?nèi)匀豢梢钥吹竭@一發(fā)明在未來發(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存起來。因此，其電力的來源也將不 會僅局限于太陽能電池，也可以是風能、地熱能、核能，甚至化石燃料的化學能等。比如說，很多人參觀風力發(fā)電廠時會奇怪為什么有些風機并不運轉(zhuǎn)，這并不是因 為我們有太多的電力了，而是因為電網(wǎng)無法承受這些多出來的電力。據(jù)報道，由于無處儲存，僅在美國，去年一年就損失了25TWh的風機潛在電力。而這一發(fā)明 無疑將為解決這個問題提供新的途徑。 xY)eU;*  
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“人造樹葉”還有很大的發(fā)展空間。也許在不遠的將 來，“人造樹葉”也能兼具光系統(tǒng)Ⅰ的功能：通過合適的化學反應(yīng)，讓“人造樹葉”吸收二氧化碳生成有機物。在如今地球已不堪重負的今天，將廢棄有害的二氧化 碳通過這種類似于光合作用的方式轉(zhuǎn)化成對人類有用的有機物（如糖、醇類等），將是多么偉大的發(fā)明啊！