英國(guó)科學(xué)家啟動(dòng)的“人工葉”項(xiàng)目，試圖創(chuàng)造出一個(gè)可以進(jìn)行光合作用的人工系統(tǒng)，為燃料電池或環(huán)保汽車(chē)提供能量
英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院(Imperial College London)最近啟動(dòng)了一項(xiàng)金額達(dá)100萬(wàn)英鎊的“人工葉”(artificial leaf)項(xiàng)目。所謂的“人工葉”可以模擬天然綠葉的光合作用，產(chǎn)生清潔燃料氫和甲醇，是解決未來(lái)能源問(wèn)題的有效方案之一。
光合作用是物種進(jìn)化的偉大成就，也是最有效的太陽(yáng)能利用方式：一片綠葉相當(dāng)于一個(gè)小型的綠色電站和有機(jī)工廠(chǎng)，它是地球上所有能量的來(lái)源，也是一切生命得以延續(xù)的前提條件。因此，光合作用原理已成為開(kāi)發(fā)新一代清潔能源的鑰匙。迄今為止，太陽(yáng)能的巨大潛力依然有待發(fā)掘，陽(yáng)光照射地面一小時(shí)產(chǎn)生的能量可滿(mǎn)足所有人類(lèi)一年所需。即使在2050年能源需求增長(zhǎng)一倍的前提下，只需將太陽(yáng)能的一小部分用于發(fā)電，未來(lái)的能源危機(jī)便可迎刃而解，全球變暖亦可得到有效控制。據(jù)“人工葉”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院生物學(xué)家詹姆斯·巴伯(James Barber)介紹，2030年的全球能源消費(fèi)預(yù)計(jì)將達(dá)20兆瓦，假如能夠利用10%的陽(yáng)光照射量，那么人工光合系統(tǒng)只需覆蓋地球表面的0.16%便可滿(mǎn)足未來(lái)全球能量所需。
目前大多數(shù)太陽(yáng)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。因此，科學(xué)家們一直致力于開(kāi)發(fā)更高效、更便宜的替代能源。英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院的“人工葉”項(xiàng)目旨在研究綠葉的光合作用機(jī)制，最終創(chuàng)造出一個(gè)類(lèi)似的人工系統(tǒng)，為燃料電池或環(huán)保汽車(chē)提供能量。據(jù)巴伯介紹，人工葉相當(dāng)于一種來(lái)自大自然的太陽(yáng)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)。不僅如此，人工葉可以在干旱的沙漠地區(qū)安家落戶(hù)，無(wú)需侵占耕地。
據(jù)麻省理工學(xué)院化學(xué)家丹諾·諾塞拉(Dan Nocera)計(jì)算，一片人工葉每天只需分解數(shù)公升水，便可滿(mǎn)足一戶(hù)家庭的能量所需。然而，真正的挑戰(zhàn)來(lái)自將水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物并釋放氫氣和氧氣這一過(guò)程。在可見(jiàn)光的照射下，植物將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣和氫氣。氫氣是一種無(wú)污染的高能燃料，既可作為制造燃料電池的原料，也可與大氣中或化石燃料發(fā)電站排放的二氧化碳相結(jié)合產(chǎn)生甲醇，為汽車(chē)提供能量。即使用甲醇代替汽油亦無(wú)需對(duì)汽車(chē)引擎進(jìn)行改裝。如今，科學(xué)家們已經(jīng)成功地從水中分離出氫氣，然而現(xiàn)有技術(shù)的成本極高，其原料包含有害化學(xué)物質(zhì)，對(duì)運(yùn)作環(huán)境的要求也非常高�！叭斯と~”項(xiàng)目的目標(biāo)即是開(kāi)發(fā)成本較低的催化劑，在常溫常壓下模擬光合作用的過(guò)程，為人們提供取之不盡用之不竭的氫能源。
英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院的化學(xué)家詹姆斯·達(dá)蘭特(James Durrant)最近開(kāi)發(fā)出了一種以鐵銹為原料的催化劑。它可以促成水分解反應(yīng)，然而效果卻不盡如人意。因此，達(dá)蘭特的研究小組正試圖通過(guò)改變鐵銹表層成分來(lái)提高效率，例如在氧化鐵的表面添加少量的鈷催化劑。
與此同時(shí)，諾塞拉亦以鈷和磷為原料制造出了可在室溫下促成水分解的催化劑，初步結(jié)果已發(fā)表在《科學(xué)》(Science)雜志上。諾塞拉指出，高效的水分解技術(shù)是儲(chǔ)存太陽(yáng)能的有效方式。在白天，人工葉可以利用陽(yáng)光分解水并制取氫氣；這些氫氣可以根據(jù)用戶(hù)需求在夜間發(fā)電。值得一提的是，這種化學(xué)燃料的單位能量?jī)?chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)今最先進(jìn)的電池。英國(guó)能源研究中心(UK Energy Research Centre)的執(zhí)行主任約翰·拉夫翰德(John Loughhead)認(rèn)為，“人工葉”的創(chuàng)意擁有巨大的潛力。就本質(zhì)而言，太陽(yáng)能是唯一的可持續(xù)能源。天然光合作用的存在證明了該項(xiàng)目的可行性和應(yīng)用廣度。
如今，其他國(guó)家亦開(kāi)始進(jìn)行類(lèi)似的研究。美國(guó)正準(zhǔn)備批準(zhǔn)一項(xiàng)經(jīng)費(fèi)約為3500萬(wàn)美元的聯(lián)邦研究，以鼓勵(lì)人們提供太陽(yáng)能發(fā)電的創(chuàng)意，荷蘭方面也為此類(lèi)研究提供了4000萬(wàn)荷蘭盾的資助。
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