阳光的最佳俘获者—人造树叶(化学教学20119)

1、发表期刊：化学教学 2011年第9期阳光的最佳俘获者人造树叶但世辉，陈莉莉 （襄阳市东风中学，湖北襄阳 441004）摘要：面对21世纪环境污染和能源短缺两大世界性的难题，本文在阐述人造树叶工作原理的基础上，比较了人造树叶的不足和独特优势，分析了人造树叶研制过程中遇到的技术瓶颈，并探讨了其应用价值和发展前景。关键词：人造树叶；光合作用，氢燃料，能量转换；催化剂 随着全球气候变暖的日益加剧，在未来40年，人类必须生产出至少10万亿瓦不含碳的清洁能源。倘若利用水能，即便将地球上所有的江河湖泊都筑上堤坝建成水电站，也只能提供5万亿瓦的电能；倘若利用核能，那么必须在未来40年每两天就必须建成一座核反应

2、堆。显然上述两种能源远远不能满足人类对清洁能源的巨大缺口。于是许多科学家将目光瞄准了地球上最普通的两种物质阳光和树叶。太阳光能给人类提供每平方米高达1000瓦的能量，而树叶可以利用这些能量进行光合作用并就地产生化学能。假如人类能设计出这样的一种装置：像树叶的光合作用那样将这些太阳光进行俘获并就地产生清洁能源氢燃料，那么我们就可以利用这些氢燃料，就像使用石油和天然气一样，用于驱动汽车、产生热量以及发电。科学家把这样的一种装置形象地称之为人造树叶。1 人造树叶的构成及工作原理事实上，人造树叶只是一个技术概念，并不专指某一片叶子。这种技术主要是模拟真实植物的光合作用原理：用人工材料制成小巧轻薄的片状

3、，浸泡在水中，经过太阳光的照射，水被分解为氧气和氢气，这些气体储存起来可用于发电。所谓的“叶子”，只是一块高级的太阳能电池。太阳光子硅纳米线水分子氢离子塑料薄膜氢离子氢气图1 人造树叶工作原理示意图人造树叶目前只能在全球少数的几个实验室中可以制造出原型，比如美国加州理工学院化学家内森·S·刘易斯所在的实验室，他们研制出的“树叶”比计算机芯片大不了多少（图1），可以像天然树叶的光合作用那样利用太阳能将水分解得到氢燃料。这种人造树叶主要由半导体纳米线阵列和透明塑料薄膜构成。半导体纳米线阵列由非晶硅纳米线制成，像用于制造太阳能电池的多晶硅那样可以吸收太阳光子，进而将太阳能转化为电

4、能。此外在半导体纳米线阵列上还嵌有催化剂，主要用于分解水并提升反应速率。透明塑料薄膜将半导体纳米线一分为二，像质子交换膜那样允许氢离子从上部穿出并游离至下部与电子结合。当太阳光照射到人造树叶上，半导体纳米线阵列将太阳光子吸收进而转化为电能产生电子。在半导体纳米线阵列内部，在催化剂的帮助下产生的电能用于把水分解为氢离子和氧气，氢离子穿过塑料薄膜，与电子结合产生氢气，得到氢燃料，具体的反应为：塑料薄膜上部：2H2O4 e= O2+ 4H 塑料薄膜下部：4H+ 4 e = 2H22 人造树叶与天然树叶的差距 虽然人造树叶是模仿天然树叶的光合作用设计而成的，但就目前的科技水平而言，人造树叶与天然树叶相

5、比还存在着较大的差距（表1）。表1 人造树叶和天然树叶工作性能的比较工作过程比较说明能量转换阶段人造树叶利用的是半导体纳米线，光能转换为电能的效率只有7%左右；天然树叶利用的是叶绿体中的类囊体，能量转换效率在20%左右水分解阶段虽然二者均是将水分解为氢离子和氧气，但人造树叶需要有一种高效、廉价的催化剂，这种理想的催化剂目前仍在研究之中，而天然树叶可直接在叶绿体内快速将水分解氢离子还原阶段人造树叶中氢离子的还原仍然需要一种理想的催化剂的促进作用方可产生氢气；而在天然树叶中，氢离子与电子以及二氧化碳直接就可在基质中合成葡萄糖目前，人造树叶只能在实验室中设计完成，尚不能推广使用，因为人造树叶的设计尚

6、存在两大难题。首先在于半导体纳米线的光电转换效率太低，只有7% 左右，而要满足全球的能源需求，人造树叶中的光电转换效率必须达到10%以上。就目前的科技水平而言，若要提高转换效率可以使用商业化光伏电池，其转换效率可以达到20%甚至更高，但问题是用光伏电池设计出来的人造树叶体形过于庞大，并且光伏电池必须用到价格十分昂贵的晶体硅，这样势必造成生产成本过大，难以普及。因此，还需要找到新兴的可大规模生产的太阳能采集技术，正如加州理工学院的刘易斯教授所说的那样：“我们需要像土豆一样便宜的芯片而不是硅芯片”，而刘易斯的团队正效力于这种芯片的研究，并且有了一定的突破。他们设计出了一种光能收集器，由嵌在透明塑料

7、薄膜上的硅纳米线制成（见图1）。刘易斯说，如果做得足够大，它就可以像毯子一样卷起和摊开。虽然硅纳米线的光电转换效率与光伏电池20%的转换效率相比还有很大差距，但相比之下，用硅纳米线制成的人造树叶的生产成本比较低，就像报纸用的纸一样廉价，即使转换效率较低，也是可以接受的。其次，人造树叶中水的分解过程必须依赖于催化剂，而这种催化剂最好具有催化效率高、价格低廉的特点，但是目前用于分解水的催化剂均不能同时满足以上两种要求。比如说金属铂，它是目前催化水分解最好的材料，其催化效率可以达到普通树叶的12倍，但由于铂是一种比较稀缺的贵金属，价格高达每克350元人民币，因此寻找廉价、高效的催化剂成为了人造树叶急

8、需解决的另一重大难题。所幸的是，催化剂的寻找已经有了突破。2008年，美国麻省理工学院诺切拉教授和他的一位同事无意中发现，由磷和钴构成的一种材料能够催化产生氧气，这是水分解反应的一个必要步骤。对于其反应机理，诺切拉认为是带正电的钴离子从水中的氢原子中夺走了电子，同时释放了氧。值得注意的是反应中氧的生成速度与光合作用相当，尤为重要的是这种催化剂具有自我修复能力，这也与树叶的特性相仿，更令人兴奋的是：在光合作用过程中，树叶每半小时修复一次，这种催化剂自我修复能力甚至比树叶还要高效。此外，钴和磷是两种既便宜又丰富的元素，假如用其替换金属铂，那么人造树叶的成本将会大大降低。因此，许多科学家认为这种催化

9、剂的发现是实现“人工光合作用”的一次重大飞跃，就像诺切拉所预言的那样：有了这种催化剂的帮助，人们就可以使用自家后院里不太贵的设备自行研制生产驱动汽车所需的氢燃料了。3 人造树叶的独特优势和应用设计人造树叶和已经推广使用的太阳能电池相比，虽然二者利用的都是太阳能，但人造树叶却拥有着一些独特的优势（表2），正是这些优势让科学家们深信：未来人造树叶一定可以取代太阳能电池成为阳光的最佳俘获者。表2 人造树叶和太阳能电池的优势比较电池项目太阳能电池人造树叶生产原料多晶硅为主要原料，每生产1MW太阳能电池，大约需要15吨左右的多晶硅，成本较高三结非晶硅为基础原料，用于硅纳米线阵列的制成，价格低廉，耗能少，

10、更利于推广工作原理依赖于电池板上铺设的电线进行工作，反应速度和工作强度不是很高将非晶硅设计成纳米线阵列，并且固定在塑料薄膜上，提高了工作的稳定性，同时将催化剂嵌在纳米线阵列外部，用于提高反应速率和工作强度提供功能只能将太阳能转化为电能供用户使用不仅可以将太阳能转化为电能，同时还可产生氢能源适用范围只在晴天有充足光照时尚可发电不仅晴天可以发电，当日照不足时还可启用储存的氢气进行二次发电外形大小太阳能电池板体形较大，适合在建筑物外部使用，比如房顶等体形可设计成扑克牌那样单薄，不仅可用于家用发电，还可用于内部供电，比如汽车等图2 太阳能燃料电池工作示意图当然，人造树叶最大的应用价值在于氢燃料的获得，

11、除此之外科学家们也设计出了人造树叶的另一重大应用：将许多片人造树叶进行有序组合，制成太阳能电池薄膜，同时连接上燃料电池，利用人造树叶产生的氢气进行二次发电，这样就构成了一种新的发电装置：太阳能燃料电池（图2）。将人造树叶与燃料电池进行组合而成的太阳能燃料电池最大的优点在于它存在两种发电方式：当日照充足时，人造树叶中的硅纳米线阵列以满功率发电。由于白天用电负荷轻，多余电能便在硅纳米线阵列内部用于电解水得到氢气，在夜晚或阴天无日照时燃料电池利用氢气进行二次发电，供用户使用；当日照不足，硅纳米线阵列发出的电能不能满足负载需求时，启用燃料电池和硅纳米线阵列同时发电，一起为负载供电。与传统的火力、水利和

12、核电技术相比，这种电池具有的最大优势在于：无论天气如何，均能持续不断地供应电能和氢能源，并且对环境影响小。4 人造树叶的研究进展和发展前景有关人造树叶的研究最早可追溯到1972年。当时，日本学者藤岛昭和他的导师共同在科学杂志上发表了一篇论文，这篇论文的核心便是使化学过程模拟了光合作用，就此，人造树叶的概念第一次进入科学家的视野。时隔20多年后的1998年，美国国家可再生能源实验室的约翰·特纳博士才研制出了世界上第一片人造树叶。他使用砷化镓制成的树叶来分解水，释放出了氢和氧。这种人造树叶最大缺点在于砷化镓素有“半导体贵族”之称，价格昂贵。2010年，上海交通大学金属基复合材料国家重点实

13、验室的科学家们将“人造树叶”的技术发布在当年的美国科学学会上。这个团队用中国特有的植物打碗碗花做实验，先找到自然叶子收获阳光的结构，再研制一种在功能上替代这种结构的化学物质，并且获得了成功，为这片叶子贴上了“中国制造”的标签。遗憾的是，这些成果都没有进入实用领域，不是因为造价太昂贵，就是因为不稳定易锈蚀。直到2011年3月27日，也就是在美国第241届化学学会上，美国麻省理工学院的丹尼尔·诺切拉博士公布了自己团队研发的人造树叶。在众人的瞩目下，一片人造树叶被放入3.7升水中，在阳光下迅速放出氢气，这些氢能源（用于发电）相当于一个发展中国家的家庭一天的能源需求。这种“树叶”的最大特点是实用性，由于所用材料价格低廉，未来它有可能成为超市货架上的商品。虽然目前人造树叶还没有准备好投入商业生产。但尽管如此，许多科学家依然对这项技术的前景充满乐观，因为人造树叶将引领全球朝着可持续发展的无碳、低耗的氢能产业和氢能经济迈进。就像诺切拉博士说的那样：“人造树叶显示了它的巨大潜力，它能为人类提供更加便宜、清洁的能源。”实际上，诺切拉所在的实验室已经与印度的塔塔集团达成了合作协议。并且到今年年底，他们将可能在印度拥有基地。科学家之所以如此看好人造树叶的发展前