人工叶解决未来的能源问题

    所谓的“人工叶”可以模拟天然绿叶的光合作用，产生清洁燃料氢和甲醇，是解决未来能源问题的有效方案之一。英国伦敦帝国学院(Imperial College London)启动了一项金额达100万英镑的“人工叶”(artificial leaf)项目。

    光合作用是物种进化的伟大成就，也是最有效的太阳能利用方式：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。因此，光合作用原理已成为开发新一代清洁能源的钥匙。迄今为止，太阳能的巨大潜力依然有待发掘，阳光照射地面一小时产生的能量可满足所有人类一年所需。即使在2050年能源需求增长一倍的前提下，只需将太阳能的一小部分用于发电，未来的能源危机便可迎刃而解，全球变暖亦可得到有效控制。据“人工叶”项目负责人、英国伦敦帝国学院生物学家詹姆斯·巴伯(James Barber)介绍，2030年的全球能源消费预计将达20兆瓦，假如能够利用10%的阳光照射量，那么人工光合系统只需覆盖地球表面的0.16%便可满足未来全球能量所需。

    目前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。因此，科学家们一直致力于开发更高效、更便宜的替代能源。英国伦敦帝国学院的“人工叶”项目旨在研究绿叶的光合作用机制，最终创造出一个类似的人工系统，为燃料电池或环保汽车提供能量。据巴伯介绍，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。不仅如此，人工叶可以在干旱的沙漠地区安家落户，无需侵占耕地。

    据麻省理工学院化学家丹诺·诺塞拉(Dan Nocera)计算，一片人工叶每天只需分解数公升水，便可满足一户家庭的能量所需。然而，真正的挑战来自将水转化为有机物并释放氢气和氧气这一过程。在可见光的照射下，植物将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气和氢气。氢气是一种无污染的高能燃料，既可作为制造燃料电池的原料，也可与大气中或化石燃料发电站排放的二氧化碳相结合产生甲醇，为汽车提供能量。即使用甲醇代替汽油亦无需对汽车引擎进行改装。如今，科学家们已经成功地从水中分离出氢气，然而现有技术的成本极高，其原料包含有害化学物质，对运作环境的要求也非常高。“人工叶”项目的目标即是开发成本较低的催化剂，在常温常压下模拟光合作用的过程，为人们提供取之不尽用之不竭的氢能源。

    英国伦敦帝国学院的化学家詹姆斯·达兰特(James Durrant)最近开发出了一种以铁锈为原料的催化剂。它可以促成水分解反应，然而效果却不尽如人意。因此，达兰特的研究小组正试图通过改变铁锈表层成分来提高效率，例如在氧化铁的表面添加少量的钴催化剂。

    与此同时，诺塞拉亦以钴和磷为原料制造出了可在室温下促成水分解的催化剂，初步结果已发表在《科学》(Science)杂志上。诺塞拉指出，高效的水分解技术是储存太阳能的有效方式。在白天，人工叶可以利用阳光分解水并制取氢气；这些氢气可以根据用户需求在夜间发电。值得一提的是，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。英国能源研究中心(UK Energy Research Centre)的执行主任约翰·拉夫翰德(John Loughhead)认为，“人工叶”的创意拥有巨大的潜力。就本质而言，太阳能是唯一的可持续能源。天然光合作用的存在证明了该项目的可行性和应用广度。

    如今，其他国家亦开始进行类似的研究。美国正准备批准一项经费约为3500万美元的联邦研究，以鼓励人们提供太阳能发电的创意，荷兰方面也为此类研究提供了4000万荷兰盾的资助。

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