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人工叶化解能源危机的新希望

一旦人工模拟光合作用真正得以实现,地球上的水资源将转变成一个用之不竭的能源宝库,能够满足全球对新型环保能源的迫切需求

金鳞

环境污染与能源枯竭已经成了世界头等难题,虽然太阳能因为长寿、无限、大功率、无公害、可现场获得等优点备受科研界关注,但目前对太阳能的利用率实在太低了:大多数太阳能系统均使用硅片直接发电,其成本远高于煤、石油和天然气等化石燃料,无法大规模市场化。幸好,大自然早已发明了标准的高效的光转化作用模式——光合作用。

光合作用广泛存在于自然界,以绿色植物、海藻和蓝细菌等为依托,借助太阳光,通过叶绿体收集太阳光能,将二氧化碳和水转化成富有能量的有机化合物,并释放出氧气,一片绿叶相当于一个小型的绿色电站和有机工厂,它是地球上所有能量的来源,也是一切生命得以延续的前提条件。其中最为关键的一步是由光驱动将水分子裂解为氧气、氢离子和电子的反应。绿色植物依靠这一反应实现了地球上最成功的光转化机制——原初光能转换过程的量子效率几乎是100%。因此,光合作用原理已成为开发新一代清洁能源的钥匙。

早在上世纪70年代初,科学家就开始尝试模拟光合作用储存太阳能,而最为关键的电解水步骤,其实也早已能够实现,但其成本是天然气的1O倍,汽油的3倍。

最近,美国麻省理工学院(MIT)化学系的科学家Daniel G. Nocera和Matthew W. Kanan在人工模拟光合作用领域有了重要的进展,他们以钴和磷为原料,制造出可在室温下促成水分解的催化剂,提高对太阳能的利用效率。产能的整个过程与光合作用非常相似——从水中生产出氢气和氧气,这两种气体可以直接用来燃烧供能,而且无污染。氢气和氧气还可以组合产生能量,贮存于电池中,一套装置可以实现白天和晚上不间断地供电。这种化学燃料的单位能量储量远远超过当今最先进的电池。

与此同时,英国伦敦帝国学院的“人工叶”(artificial leaf)项目也正式启动。该项目模拟天然绿叶的光合作用,创造出一个人工系统,产生清洁燃料氢和甲醇,为燃料电池或环保汽车提供能量。该项目的研究人员期待,人工叶可以像植物一样,在普通简单的条件下从水中分离出氢气,而彻底告别昂贵的操作手段和繁杂的工艺要求。这一操作将是未来最有前途的方案之一。

该项目的科学家重点关注了自然界绿叶中推动光合作用的蛋白质,他们采用了一种新技术来分析光合系统在1埃(一亿分之一厘米)层次上的组织结构,最终观察到了微观的清晰的结构。

人工叶相当于一种来自大自然的太阳能电池,其结构与天然绿叶不尽相同,光合作用的效率却远胜于后者,可谓青出于蓝而胜于蓝。倘若这一项目能够成功完成,那么一片人工叶和几升水所产生的能量就可供一户家庭使用,只需地表面积的0.16%,就可以高效地转换太阳能,并持续供能到2030年。该成果尤其适合在日照充分且无人居住的荒漠地区大规模推广,完全避免了与人争地的矛盾。如今,很多国家都投入大量的人力财力,积极攻克这一难题:美国正准备批准一项联邦研究,经费约为3500万美元;荷兰对此类研究的经费预算也高达4000万荷兰盾。

虽然人工叶项目还处于初始阶段,但这一创意拥有巨大的潜力。一旦人工模拟光合作用真正得以实现,地球上3.26亿立方英里的水资源将转变成一个用之不竭的能源宝库,只需要利用其中的一小部分,便能够满足全球对新型环保能源的迫切需求。