新能源探秘:会发电的人造树叶

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  面对日趋紧张的能源供应状况,世界各国的科学家都在想办法研制新能源。几十年来,制造“人造树叶”一直是科学家们追求的目标。我们知道,树叶可通过光合作用将二氧化碳(或硫化氢)和水转化为有机物,并释放出氧气(或氢气)。因此,科学家一直希望制造出能模拟光合作用的人造树叶,这样,只需利用阳光和水就能产生氧气和氢气,将这些气体储存起来便可用于燃烧发电。
  早在1998年,美国国家可再生能源实验室的约翰·特纳(John Turner)博士就研制出了世界上第一片人造树叶。中国科学家也在进行这项研究,2010年,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室用中国特有的植物——打碗碗花做实验,先找到自然叶子收获阳光的结构,再研制一种在功能上替代这种结构的化学物,为这片叶子贴上了“中国制造”的标签。遗憾的是,这些成果都没有进入实用领域,不是材料太昂贵,就是性能不稳定易锈蚀。
  2011年,美国麻省理工学院Daniel Nocera博士与他带领的团队制造出第一片可以投入使用的人造树叶。该树叶由低廉材料硅组成,在催化剂镍和钴的作用下,能在简单的条件下有效地将纯净水分解成氧气和氢气。该装置性能稳定,可以持续进行光合作用达45小时,一加仑的水(约合3.78升)生成的电量足够满足一间房子整天的电力需求。但是,这“树叶”也存在一个问题,就是光能的转化率过低,不足4.7%。
  最近,科学家们又在人造树叶技术上取得了新的进展,使得人类距离更加有效地利用太阳能又近了一步。美国麻省理工学院的研究小组对“人造树叶”系统的效率限制因素进行了详细分析和再设计,最新分析发现,使用晶体硅等单一带隙半导体,结合钴、镍基氧化催化剂,最大转化效率可达到16%或更高。他们还在人造树叶催化剂上发现了“自愈能力”,这种“自愈能力”使得人造树叶不再需要饮用级别的纯净水,污水也可以。这样,人造树叶将更接近现实,并有望带来一种实用、廉价的商业化样本。未来,人造树叶如能投入大量生产使用,就能为广大发展中国家尤其是缺乏传统电力生产和传输系统的边远地区提供个性化的电力设备和装置,从而大大地造福于人类。
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