揭秘人工树叶 太阳光转化为化学能

　　新的人造树叶在产生氢气时，使用不太昂贵的镍钼锌化合物取代铂催化剂，大幅度降低了成本。

　　有一篇论文，详细描述了开发的第一款实用人工树叶，这是一个里程碑，会促进可持续能源，模仿光合作用过程中的绿色植物，把水和阳光转化成能量，这篇文章发表在美国化学学会(ACS)的期刊《化学研究报道》(Accounts of Chemical Research)上。文章指出，不像早期的设备那样使用昂贵的成分，这种新设备采用廉价材料制成，而且采用了低成本的工程设计和制造工艺。

　　丹尼尔•G。诺塞拉(Daniel G. Nocera)指出，人工树叶应验了意大利著名化学家的设想，这位化学家在1912年就预言，有朝一日，科学家会揭开“植物的深奥秘密”。诺塞拉说，其中最重要的，就是水分解成氢气和氧气的过程。人工树叶有太阳光收集器，就夹在两片薄膜之间，这两片薄膜会生成氧气和氢气。浸入一瓶水中，在阳光的照射下，它就会冒泡，释放出氢气，可用于燃料电池，进行发电。这些自足的装置很有吸引力，可以制成电力燃料，用于偏僻的地方和发展中国家，但是，迄今为止展示的这些设计，都要依靠一些金属，比如铂(platinum)，也依靠一些制造工艺，这就使它成本过高。 为了使这些设备可以更广泛的使用，诺塞拉取代了铂催化剂，在产生氢气时，使用不太昂贵的镍钼锌(nickel-molybdenum-zinc)化合物。在叶片的另一面，钴(cobalt)薄膜会产生氧气。诺塞拉指出，所有这些材料在地球上都是丰富的，不像稀有和昂贵的铂金，还有贵金属氧化物和半导体材料，这都是其他人使用过的。“因为到本世纪中叶，正是这60亿非传统用户会带来能源需求的巨大增长，因此，一项研究目标就是把太阳能提供给贫穷的地区，有些发现比如人工树叶，会给全球社会提供一条最直接的途径，迈向可持续能源的未来，”他说。 他们的论文《人工树叶》(the Artificial Leaf)发表在2012年4月4日的《化学研究报道》上，文中介绍，为了把阳光能量转换成化学能，叶子会分裂水，通过光合作用过程，产生分子状态的氧和氢，氧和氢的形态都是分离的质子和电子。天然光合作用的主要步骤包括吸收阳光，把它转换成空间上分隔的电子-空穴对(electron–hole pairs)。这种无线电流空穴会被放氧复合体(OEC：oxygen evolving complex)捕获，这个复合体属于光系统Ⅱ(PSⅡ：photosystem II)，会把水氧化为氧气。产生的电子和质子是放氧复合体反应的副产品，会被光合系统I的铁氧还蛋白(ferrodoxin)捕获。借助铁氧还蛋白-烟酰胺腺嘌呤二核甙酸磷酸 +还原酶(ferrodoxin–NADP+ reductase)，它们可用于产生氢气，形态是还原型烟酰胺腺嘌呤二核甙酸磷酸(NADPH)。合成材料要实现树叶的太阳能转换功能，这种光吸收材料就必须捕捉太阳光子，产生无线电流，并被催化剂利用，从而促进四个电子/空穴对的燃料形成和水分解反应，要在良性的条件下，采用1太阳(100 mW/cm2)的照明。 这篇报道介绍，制备人造树叶，要采用地球上丰富的元素，用三节非晶硅光伏材料结合氢气和氧气释放催化剂，这些催化剂的制备分别采用一种三元合金(NiMoZn)和钴磷酸盐簇(Co-OEC ：cobalt–phosphate cluster)。后者可利用光合系统II放氧复合体(PSII-OEC)的结构和功能属性。类似光合系统II放氧复合体，这种钴磷酸盐簇会自我组装，这需要氧化地球上丰富的金属离子，从2 +到 3 +，操作可在室温下的天然水中进行，具有自愈功能。这种钴磷酸盐簇也可激活H2O，这要利用质子耦合电子传递机制，其中钴磷酸盐簇可以增加，采用四个空穴孔对等物，类似于S状态抽泵的光合系统II(PSII)角周期(Kok cycle)。 X-射线吸收光谱的研究已经表明，钴磷酸盐簇在结构上关联到Mn3CaO4，这种锰立方烷(cubane)，属于光合系统II放氧复合体，其中，钴取代锰，立方烷延长到共享的从头至尾的二聚体(dimer)中。 可以进行放氧反应，采用的水要处于中性或接近中性的条件下，这会产生几种结果，可以制备人工树叶。NiMoZn合金可用于取代铂，生成氢气。为了稳定水中的硅，要在它的表面涂上导电金属氧化物，这样，上面就可沉积钴磷酸盐簇。最终的结果是，三结硅片涂有NiMoZn和钴磷酸盐簇，在水中浸泡，在阳光下可以直接进行太阳能转换，只需要分解水。制成一种简单的单机设备，采用地球上丰富的材料，这种人工树叶就提供了一种方法，可用于廉价的高度分散的太阳能-燃料系统，只需采用低成本系统工程设计和制造工艺。采用这种类型的系统，太阳能就成为可行的电源，可用于非常规供电地区。