叶子，人造滴！

    这恐怕是世界上最为奇怪的树叶了：它没有粗细不等的叶脉，取而代之的是各种电子元件；它也不是心形、扇形或是菱形，而是像一张扑克牌那样单薄；甚至于，它连普通树叶常见的颜色都没有，看上去就像一块亮晶晶的遮光板。但它却能像普通树叶那样进行光合作用，产生能源。

    3月27日，美国麻省理工大学（MIT）的化学家、能源学家丹尼尔·诺塞拉博士，在第241届美国化学学会上公布了自己团队研发的“人造叶子”。在众人的关注中，一片置于阳光下的“人造叶子”被放入3.7升水中，迅速产生了相当于一个发展中国家的家庭一天的能源需求。

    作为世界上最大的科技协会之一，美国化学学会不止一次发布过关于“人造叶子”的成果。而这片来自加利福尼亚的“叶子”的最大特点是实用性，由于材料价格低廉，未来有可能成为货架上的商品。

    “叶子”是块高级太阳能电池

    “人造叶子”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，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”其实是一块高级太阳能电池。

    “要做到像叶子一样进行光合作用，并不意味着我们要完全按照树叶来设计建造人工叶。”伦敦帝国学院生物学家、“人造叶子”项目负责人詹姆斯·巴伯说，“达芬奇曾试图设计羽毛可以上下摆动的飞行器，但最终人类造出了波音747及空中客车380。这些飞机与鸟完全不同，但它们飞得比鸟更好。”

    诺塞拉研制的“人造叶子”就不以任何自然界中的树叶为原型，它在美国被称为“人工模拟光合作用”。除了麻省理工学院的教师身份，诺塞拉还是一家太阳能源公司的创始人。美国能源部下属的能源研究计划局2009年曾拨款2370万美元鼓励新公司和大学研究太阳光合能。他所创建的这家公司就是5家接受政府资助开发、被称为“直接太阳能燃料”的公司之一。此次的研究经费也是部分来源于这家公司。

    早在1998年，美国国家可再生能源实验室的约翰·特纳博士就研制出了世界上第一片“人造叶子”。现在依然将精力倾注于这一技术的特纳在接受《中国青年报》采访时说，自己也并不是第一个提出这一概念的人，“这要追溯到1972年发表在《科学》杂志上的一篇文章”。这篇由日本学者藤岛昭和他的导师共同完成的论文，被奉为光催化概念的经典之作。由于这一化学过程模拟了光合作用，在自然界中承载这一作用的“叶子”就和研发出的设备联系在了一起。

    20多年后，特纳用砷化镓制成的叶子来分解水，释放的氢和氧产生了电流，但造价太贵无法投入生产。砷化镓素有“半导体贵族”之称，诺塞拉也曾开玩笑说，这种材料只有美国航天局才用得起。

    中国科学家也一直在进行这项研究。2010年，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的科学家们也将“人造叶子”的技术发布在当年的美国科学学会上。他们用中国特有的植物——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，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，不是造价太昂贵，就是不稳定易锈蚀。MIT发布的这片叶子部分地解决了这一问题。在非晶硅制成的叶子上涂几种不同的催化剂，硅吸收阳光后通过催化剂将水分解为氧和氢，它们像电池的两极一样，通过回路产生电流，变成一个不断生产能量的电池。这些材料便宜而稳定，在实验中，叶子持续工作45小时后效率仍不会下降。

    诺塞拉描述了叶子发生反应时的状态：“我将一片叶子放入一瓶水中，拿着它走到阳光下，你就能看到氧气和氢气在冒泡。”瓶中的水并不需要是纯净的，诺塞拉用河水实验，效果并没有衰减。下一步他们将尝试使用海水，如果可行，用叶子发电将会更便宜。

    走上屋顶前的重重考验

    人们一直在寻求利用“免费”的太阳能源，然而捕获并使用太阳能却需要耗费很大的财力，这让很多在太阳能上动脑筋的人望而却步。“传统的太阳能电池板造价并不昂贵，”诺塞拉解释说，“它的大部分开销在于布线，而人造叶子很好的解决了这一问题。”

    同传统太阳能电池板一样，“人造叶子”的基础材料依然是硅，只不过运用的是三结非晶硅。虽然在转换效率上不如传统的晶体硅，但这种非晶硅价格低廉、耗能少，更利于推广。“穿”在硅外面的催化剂是有强大“自组装”能力的钴，它能让自己不断破碎再不断重建，不需加入额外的材料。用它催化水分解，使硅板不再像普通太阳能电池那样依靠电线工作，反应速度和强度大大提高。据说，诺塞拉的这片叶子的光合效率大约是自然树叶的10倍。

    诺塞拉在2008年曾畅想，如果化学家们能开发出一种可承受的、有效的、利用太阳能来分解水和产生氢燃料的手段，那么只要每秒把MIT的游泳池水的1/3分解，就能为全世界提供能源了！

    3年后，他的愿景在实验室里达成了。他用镍、钴等元素作为催化剂，不但解决了稳定性的问题，还因为廉价而有了投入商业用途的可能。目前，诺塞拉的实验室并没有发布催化剂的具体成分，这将留待以后申请专利。

    然而要从实验室走上屋顶，依然困难重重。最大的挑战是如何捕捉氧气和氢气并存储它们，以备在没有阳光时使用。叶子的最终价格将取决于这一领域的花费。“想让它为社会提供能量，我们需要每天生产数以千计的叶子，并让它们和使用普通的电一样便宜。”特纳强调。

    “每个家庭都有发电站”

    最早的太阳能电站出现在美国，1982年，巴斯托太阳能１号电站在莫哈维沙漠中建成。在中国，太阳能热水器曾风靡一时，但由于我国各地阳光照射角度和时长差异很大，导致其无法稳定提供热量，大面积推广和使用的难度大。

    “归根结底，我们能得到的唯一可持续的能源形式就是太阳。”英国能源研究中心执行董事约翰·劳赫德非常看好“人造叶子”的前景，认为通过太阳能制氢也许将成为人类探索新型能源的一个突破。

    氢是宇宙中分布最广泛的物质，构成了宇宙质量的75%，在地球上它主要以化合态的形式出现。氢能作为人类的终极能源，已成为世界各国科学研究的重点之一。太阳能制氢技术从水这个氢的大仓库中分解出氢，使其作为能源应用于人类的生产过程。

    随着经济的不断发展和国际合作的增多，我国也开始重视新能源的开发和利用。2008年，中国科技部部长万钢在第十七届世界氢能大会获得2008年度格罗夫奖，用以表彰其推动燃料电池汽车方面的贡献。积极推动人工光合作用技术的美国能源部长朱棣文更是在去年斯坦福大学演讲时表示，中国目前在清洁能源上的投入相当惊人，每个月投入额为90亿元，大有后来居上的势头。

    目前，我国已初步形成一支由高等院校、中国科学院及石油化工等部门为主的从事氢能研究、开发和利用的专业队伍，他们承担着氢能方面的国家自然科学基金基础研究项目、国家“863”高技术研究项目、国家重点科技攻关项目及中国科学院重大项目等。上海交通大学负责的“人工无机叶”项目就是其中之一。碳能源时代消耗了大量的不可再生能源，而且释放的是二氧化碳温室气体，氢能的燃烧则只释放水蒸气，对环境不会造成影响。

    “我们的目标是让每一个家庭拥有自己的发电站。”诺塞拉致力于将“人造叶子”变成商业化产品。“可以设想，在不久的将来，那些印度和非洲的村庄将有能力购买基于这种技术的基础发电系统。”

    □《中国青年报·冰点周刊》