人工葉化解能源危機(jī)的新希望

一旦人工模擬光合作用真正得以實(shí)現(xiàn),地球上的水資源將轉(zhuǎn)變成一個用之不竭的能源寶庫,能夠滿足全球?qū)π滦铜h(huán)保能源的迫切需求

金鱗

環(huán)境污染與能源枯竭已經(jīng)成了世界頭等難題,雖然太陽能因?yàn)殚L壽、無限、大功率、無公害、可現(xiàn)場獲得等優(yōu)點(diǎn)備受科研界關(guān)注,但目前對太陽能的利用率實(shí)在太低了:大多數(shù)太陽能系統(tǒng)均使用硅片直接發(fā)電,其成本遠(yuǎn)高于煤、石油和天然氣等化石燃料,無法大規(guī)模市場化。幸好,大自然早已發(fā)明了標(biāo)準(zhǔn)的高效的光轉(zhuǎn)化作用模式——光合作用。

光合作用廣泛存在于自然界,以綠色植物、海藻和藍(lán)細(xì)菌等為依托,借助太陽光,通過葉綠體收集太陽光能,將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成富有能量的有機(jī)化合物,并釋放出氧氣,一片綠葉相當(dāng)于一個小型的綠色電站和有機(jī)工廠,它是地球上所有能量的來源,也是一切生命得以延續(xù)的前提條件。其中最為關(guān)鍵的一步是由光驅(qū)動將水分子裂解為氧氣、氫離子和電子的反應(yīng)。綠色植物依靠這一反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了地球上最成功的光轉(zhuǎn)化機(jī)制——原初光能轉(zhuǎn)換過程的量子效率幾乎是100%。因此,光合作用原理已成為開發(fā)新一代清潔能源的鑰匙。

早在上世紀(jì)70年代初,科學(xué)家就開始嘗試模擬光合作用儲存太陽能,而最為關(guān)鍵的電解水步驟,其實(shí)也早已能夠?qū)崿F(xiàn),但其成本是天然氣的1O倍,汽油的3倍。

最近,美國麻省理工學(xué)院(MIT)化學(xué)系的科學(xué)家Daniel G. Nocera和Matthew W. Kanan在人工模擬光合作用領(lǐng)域有了重要的進(jìn)展,他們以鈷和磷為原料,制造出可在室溫下促成水分解的催化劑,提高對太陽能的利用效率。產(chǎn)能的整個過程與光合作用非常相似——從水中生產(chǎn)出氫氣和氧氣,這兩種氣體可以直接用來燃燒供能,而且無污染。氫氣和氧氣還可以組合產(chǎn)生能量,貯存于電池中,一套裝置可以實(shí)現(xiàn)白天和晚上不間斷地供電。這種化學(xué)燃料的單位能量儲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)今最先進(jìn)的電池。

與此同時,英國倫敦帝國學(xué)院的“人工葉”(artificial leaf)項(xiàng)目也正式啟動。該項(xiàng)目模擬天然綠葉的光合作用,創(chuàng)造出一個人工系統(tǒng),產(chǎn)生清潔燃料氫和甲醇,為燃料電池或環(huán)保汽車提供能量。該項(xiàng)目的研究人員期待,人工葉可以像植物一樣,在普通簡單的條件下從水中分離出氫氣,而徹底告別昂貴的操作手段和繁雜的工藝要求。這一操作將是未來最有前途的方案之一。

該項(xiàng)目的科學(xué)家重點(diǎn)關(guān)注了自然界綠葉中推動光合作用的蛋白質(zhì),他們采用了一種新技術(shù)來分析光合系統(tǒng)在1埃(一億分之一厘米)層次上的組織結(jié)構(gòu),最終觀察到了微觀的清晰的結(jié)構(gòu)。

人工葉相當(dāng)于一種來自大自然的太陽能電池,其結(jié)構(gòu)與天然綠葉不盡相同,光合作用的效率卻遠(yuǎn)勝于后者,可謂青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。倘若這一項(xiàng)目能夠成功完成,那么一片人工葉和幾升水所產(chǎn)生的能量就可供一戶家庭使用,只需地表面積的0.16%,就可以高效地轉(zhuǎn)換太陽能,并持續(xù)供能到2030年。該成果尤其適合在日照充分且無人居住的荒漠地區(qū)大規(guī)模推廣,完全避免了與人爭地的矛盾。如今,很多國家都投入大量的人力財(cái)力,積極攻克這一難題:美國正準(zhǔn)備批準(zhǔn)一項(xiàng)聯(lián)邦研究,經(jīng)費(fèi)約為3500萬美元;荷蘭對此類研究的經(jīng)費(fèi)預(yù)算也高達(dá)4000萬荷蘭盾。

雖然人工葉項(xiàng)目還處于初始階段,但這一創(chuàng)意擁有巨大的潛力。一旦人工模擬光合作用真正得以實(shí)現(xiàn),地球上3.26億立方英里的水資源將轉(zhuǎn)變成一個用之不竭的能源寶庫,只需要利用其中的一小部分,便能夠滿足全球?qū)π滦铜h(huán)保能源的迫切需求。