姓名:張志彪? ? ? ? ? 學(xué)號:16050120102

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【嵌牛導(dǎo)讀】如今社會發(fā)展迅速，人類科技需要的能源越來越多，然而世界上的能源量是有限的，為了長久的發(fā)展，就必須要解決能源危機。所以現(xiàn)在社會上創(chuàng)造出了“人工樹葉”來解決這一問題。

【嵌牛鼻子】? 光合作用? ? ? 發(fā)電

【嵌牛提問】人工樹葉是什么？它的基本原理是什么？發(fā)展前景怎么樣？

【嵌牛正文】人工樹葉是一種如撲克牌大小的片狀材料，復(fù)制了自然界中植物利用陽光將水、二氧化碳轉(zhuǎn)化成氧氣和碳水化合物類燃料的過程。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。

? ? ? ? 植物是通過光合作用獲取生長所需的能量的。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(fù)雜的生化反應(yīng)過程，在這我們不再詳細敘述。

? ? ? ? “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(xué)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。

? ? ? ? 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。

? ? ? ? 2013年，諾塞拉在美國麻省理工學(xué)院化學(xué)系從事研究工作。他曾經(jīng)指出，人造樹葉的想法來自化學(xué)家早些年的想象，終有一天會發(fā)現(xiàn)“植物們守護著的秘密”。諾塞拉說，最重要的秘密是水分解成氫氣和氧氣的過程。在人造樹葉兩面分別產(chǎn)生氫氣和氧氣的薄膜中間夾著日光收集器。將人工樹葉放入陽光照射下的水中，人造樹葉周圍會產(chǎn)生氣泡，釋放出的氫氣能用于為燃料電池產(chǎn)生電力。這些能自給自足的廉價供能單位，對需要電力的偏遠地區(qū)和發(fā)展中國家很有吸引力，但迄今為止的設(shè)計都依賴像鉑那樣昂貴的金屬和高成本的制造工藝上。

? ? ? ? 為了使這些設(shè)備得到更廣泛的應(yīng)用，諾塞拉將用于產(chǎn)生氫氣的催化劑鉑用鎳鉬鋅合金替代。在葉子的另一面，有一層用鈷做的薄膜用來產(chǎn)生氧氣。諾塞拉指出，所有這些材料在地球上都十分豐富，不像稀有昂貴的金屬鉑、貴金屬氧化物和已經(jīng)被其他人使用過的半導(dǎo)體材料。

? ? ? ? 不久后，諾塞拉從麻省理工學(xué)院來到哈佛大學(xué)，便和希爾韋開始合作。他們在“個性化的能源”或制造能源本地化的理念上達成一致，認為能源本地化將在發(fā)展中國家具有吸引力。這是相對于當前的能源系統(tǒng)，比如石油需集中生產(chǎn)，然后送到加油站的制造能源方式。

? ? ? ? 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)模化應(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。

? ? ? ? 2015年3月，美國哈佛大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院、哈佛醫(yī)學(xué)院和威斯生物工程研究所受樹葉的啟發(fā)，創(chuàng)造出一種利用細菌將太陽能轉(zhuǎn)化為液體燃料的“人造樹葉”系統(tǒng)，使用催化劑使陽光將水分解為氫氣和氧氣，設(shè)計一種細菌將二氧化碳加氫轉(zhuǎn)化為液體燃料異丙醇。該研究結(jié)果發(fā)表在美國《國家科學(xué)院學(xué)報》上。

? ? ? ? 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(xué)儲能的優(yōu)勢是多么明顯啊!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。“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。

? ? ? ? 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)模化應(yīng)用還有很長的路要走。

? ? ? ? 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(fēng)能、地熱能、核能，甚至化石燃料的化學(xué)能等。比如說，很多人參觀風(fēng)力發(fā)電廠時會奇怪為什么有些風(fēng)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(fēng)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。

? ? ? ? “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(xué)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)。