人類實現能源清潔化的希望就寄托在一片「葉子」上？

引言

從20世紀70年代初開始，科學家們就一直在探索一種叫做「人造樹葉」的技術，這種技術可以將二氧化碳、水和陽光轉化為液體燃料，並且比光合作用更高效（植物對太陽能的最大利用率只有1%）。如果「人造樹葉」技術能夠成功商業化，那麼實現能源的清潔化這一難題將會迎刃而解。2018年1月21日，《麻省理工科技評論》發表文章《「人造樹葉」之路》對該項技術進行介紹。

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「人造樹葉」能夠直接和低成本地儲存太陽能，同時可以產生一種碳中和燃料。這種燃料很有可能會改變運輸行業的現狀，使長途航空旅行更加綠色和可持續。

目前，科學家們已經開發出了能利用太陽能將水分解成氧氣和氫氣，以及將氫氣和二氧化碳轉化為能量密集型燃料的催化劑。

植物分解水的過程有三大亮點：

其一，它們將水分解化學反應分為兩個部分——分別產生氧氣和氫氣這兩個「半反應」，從而可以防止氫氣在氧氣的存在下自發燃燒；

其二，植物中含有能夠加速半反應的催化劑或分子；

其三，植物中有一層薄膜能將兩個半反應分開，不僅能將氫氣和氧氣隔開，同時還可以允許帶電離子通過它們，避免電荷不平衡。

太陽能燃料發電機的研發人員據此組裝了一套被稱為「光電化學電池（PEC）」的裝置。將兩種叫做「光電極」的材料浸入水中、吸收光能，再加入催化劑來加速分解水的兩個半反應，並在其中置入一層防止氫氧反應的薄膜。

為了防止氫氧反應發生爆炸，光電化學電池中需要放置一種能夠隔開兩種半反應的膜。從水中產生氧氣的半反應會使水變成酸性，而產生氫氣的半反應則會使附近的水變成鹼性，因此需要抗腐蝕的光電電極和催化劑。

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陽光制氫技術對陽光的利用率有多少呢？

這取決於光電電極吸收太陽光的能力和半反應分解水的速度。理論上來說，如果有合適的光電電極和催化劑，太陽能燃料發電機的效率可以達到30%以上。

貴金屬催化劑（如鉑）能加速半反應，但是卻稀有而昂貴。

美國加州理工學院專門研究太陽能燃料的化學教授內森·劉易斯領導的跨學科研究小組系統地模擬數千種化合物，以尋找符合安全、高效、廉價以及穩健這四個標準的材料。

在研發過程中，劉易斯小組從兩個「意外」中取得了相當大的進展：

這項技術要想成功商業化，首先需要找到合適的催化劑。劉易斯的小組從煉油廠得到了靈感，找到了加速半氫反應的催化劑。煉油廠在將硫從石油產品中去除的過程中使用的就是這些催化劑，而且這些催化劑價格十分低廉（但是能加速半氧反應的低價催化劑尚未找到）。

而在另一次實驗中，劉易斯小組的研究人員無意中給樣本塗上了一層薄薄的二氧化鈦，卻有了驚人的發現。二氧化鈦是防晒霜的關鍵成分，能夠阻擋陽光中的紫外線保護我們的皮膚。而在PEC中，二氧化鈦竟能保護光電電極和催化劑不被鹼性溶液侵蝕。

當然，這項技術的商業模型不會只是一片葉子。劉易斯設想的是一種巨大的帆布模型，它不僅能夠吸收光照，同時還配有排水管來收集產生的氧氣。

劉易斯認為，利用陽光製造碳基燃料最有希望的途徑是太陽能制氫。這項技術能夠把氫氣和工廠、發電廠燃燒化石燃料產生的的二氧化碳結合起來，合成與煉油廠生產的碳氫化合物燃料相同的一系列可用燃料，以用作運輸燃料或轉化成從低端的塑料產品到高端藥品等一系列產品。

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劉易斯專註於陽光制氫，而另一位化學家——哈佛大學化學和化學生物學系的諾塞拉教授則想要直接利用陽光生產出一種碳基液體燃料，以期立即取代現有的石油產品。

從科學的觀點來看，這幾乎是不可能的。因為單單把分解水來製造氫氣和氧氣就夠難的了，哪怕是製造最簡單的碳氫化合物—能合成天然氣的單碳甲烷，也是一個非常複雜的問題，需要研發更多的新材料來吸收光照和催化化學反應。因此，直接利用太陽能生產碳基燃料比生產氫燃料更難實現了。

諾塞拉創辦了一個名為sun catalysis公司，這是五家接受政府資助開發，並被稱為「電燃料」的「直接太陽能燃料」的公司之一。

2015年，該公司製造了一種奇妙的裝置：首先它會利用無機催化劑分解水來製造氫氣；接下來，它通過將細菌置於氫氣以及純二氧化碳的環境中來製造液體燃料。

不過，儘管這些細菌能夠非常出色地將二氧化碳和氫氣轉化成多種燃料，它們卻與無機催化劑不相容，因為無機催化劑會產生活性氧破壞細菌的DNA。

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2016年，諾塞拉和他的同事在《科學》雜誌上發表論文，宣布他們發現了一種由鈷磷合金製成的新型催化劑，它不僅可以與細菌共存，而且分子可以在溶液中自組裝，如同自然界中的自癒合催化劑。

在催化劑和細菌的協同工作下，諾塞拉的裝置能將陽光轉化為酒精燃料，利用率高達10%。

諾塞拉稱，這些細菌應該能夠生產出其他幾種含碳分子，可用於汽車燃油、塑料製品等一系列領域。

隨後，他在2017證明了這種將催化劑和細菌混合的方法可以固定大氣中的氮以產生氨。

這是一個重大發現，因為全球有超過1%的能源是用來生產氨來為農作物施肥的。

諾塞拉的實驗模型表明，總有一天，陽光可以取代化石燃料製造氨，但是利用細菌來實現這一目標能否成功還未可知。

事實上，細菌對其生存環境是相當挑剔的，對環境的酸度和溫度尤其敏感，要設計出適宜細菌生存的環境非常困難。

就目前而言，利用陽光制氫的設備要比直接生產碳基燃料的設備發展得更快，而通過混合催化劑與細菌直接生產燃料也有可行之處，或許終有一天會替代化石燃料。

儘管人類在仿光合作用研究方面取得了一定的進展，但該項技術要想成功實現商業化，不僅需要實現低成本，還需要實現安全、穩健和高效。到目前為止，研究人員並不能全部實現。

科學技術需要汗水更需要機遇，以上兩種技術未來究竟如何發展，我們且拭目以待。

編譯 / Winnie

責編 / Maisie

美編 / 九夏

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