基本介紹
- 拉丁學名：artificialleaf
- 界：植物界
- 中文名：人工葉
- 功能：從水中分離出氫氣
英國倫敦帝國學院（ImperialCollegeLondon）最近啟動了一項金額達100萬英鎊的“人工葉”（artificialleaf）項目。所謂的“人工葉”可以模擬天然綠葉的光合作用，產生清潔燃料氫和甲醇，是解決未來能源問題的有效方案之一。
項目研究人員希望通過此項研究，可以使人工葉像植物一樣，在常規的條件下，就能夠從水中分離出氫氣，從而徹底告別以往那些昂貴的操作手段並且沒有繁雜工藝的要求。這個操作如果真的能夠實現，那將是未來最可行的方案之一。人工葉作為一種原料，由它所獲得的氫氣，既可用於製造燃料電池，成為新一代無污染的高能燃料，又可以結合二氧化碳產生甲醇，逐漸減少人們對石油的依賴與使用。因此，氫氣高效率、低污染、可流動等特點都深深吸引著科研人員尋找有效的電解水的方式。
人工葉的項目和麻省理工學院的模擬人工光合作用研究都是致力於解決將水轉化為有機物並釋放氫氣和氧氣的這一過程，建立一種像自然界綠葉一樣的人工葉，甚至比它更最佳化的裝置，成為高效的太陽能轉化設備。但是，研究的過程是非常艱辛的，而且也有非常大的挑戰性。在這個過程中研究人員做過多種試驗，比如他們曾嘗試以其他原料作為催化劑，雖然也能催化水解反應，但效果卻並不像起初期望的那樣，只有通過多次實驗，向其中添加其他物質，才能夠期望催化效率能夠提高。
人工葉項目研究的重點之一就是探求哪些蛋白質參與推動了光合作用——已知有兩組參與了光合作用，分別被稱為光合系統I和光合系統Ⅱ，後者包含著使水分解的結構，科學家們希望以此為研究的突破點，他們採用一種被稱為X光結晶工藝的光分散技術來分析光合系統Ⅱ在1/1010米層次上的組織結構，並最終觀察到了微觀清晰的結構，這一發現對掌握水的分解原理有非常大的幫助。另外，已經有科研小組嘗試通過基因工程的手段來合成類似的自組裝蛋白。現在這項研究遭遇的更大挑戰是設計出一個完善的人工系統，甚至是藉此找到辦法將光合作用擴大到工業生產的規模。
地球每年經光合作用產生的物質有1730億～2200億噸，其中蘊含的能量相當於全世界能源消耗總量的10～20倍，但利用率不到3%。麻省理工學院的一位化學家計算，倘若人工葉目標得以實現，一片人工葉只需分解數公升水，便可滿足一戶家庭一天的能量所需。人工葉計畫適合在日照充分並且無人居住的沙漠地區大規模地推廣，再通過光纜等設備輸送到其他地方，這樣就完全避免了占據耕地或與人搶地的矛盾，更具有實際的意義。
光合作用是物種進化的偉大成就，也是最有效的太陽能利用方式：一片綠葉相當於一個小型的綠色電站和有機工廠，它是地球上所有能量的來源，也是一切生命得以延續的前提條件。因此，光合作用原理已成為開發新一代清潔能源的鑰匙。迄今為止，太陽能的巨大潛力依然有待發掘，陽光照射地面一小時產生的能量可滿足所有人類一年所需。即使在2050年能源需求增長一倍的前提下，只需將太陽能的一小部分用於發電，未來的能源危機便可迎刃而解，全球變暖亦可得到有效控制。據“人工葉”項目負責人、英國倫敦帝國學院生物學家詹姆斯·巴伯（JamesBarber）介紹，2030年的全球能源消費預計將達20兆瓦，假如能夠利用10%的陽光照射量，那么人工光合系統只需覆蓋地球表面的0.16%便可滿足未來全球能量所需。
大多數太陽能系統均使用矽片直接發電，其成本遠高於煤、石油和天然氣等化石燃料。因此，科學家們一直致力於開發更高效、更便宜的替代能源。英國倫敦帝國學院的“人工葉”項目旨在研究綠葉的光合作用機制，最終創造出一個類似的人工系統，為燃料電池或環保汽車提供能量。據巴伯介紹，人工葉相當於一種來自大自然的太陽能電池，其結構與天然綠葉不盡相同，光合作用的效率卻遠勝於後者，可謂青出於藍而勝於藍。不僅如此，人工葉可以在乾旱的沙漠地區安家落戶，無需侵占耕地。
據麻省理工學院化學家丹諾·諾塞拉（DanNocera）計算，一片人工葉每天只需分解數公升水，便可滿足一戶家庭的能量所需。然而，真正的挑戰來自將水轉化為有機物並釋放氫氣和氧氣這一過程。在可見光的照射下，植物將二氧化碳和水轉化為有機物，並釋放出氧氣和氫氣。氫氣是一種無污染的高能燃料，既可作為製造燃料電池的原料，也可與大氣中或化石燃料發電站排放的二氧化碳相結合產生甲醇，為汽車提供能量。即使用甲醇代替汽油亦無需對汽車引擎進行改裝。如今，科學家們已經成功地從水中分離出氫氣，然而現有技術的成本極高，其原料包含有害化學物質，對運作環境的要求也非常高。“人工葉”項目的目標即是開發成本較低的催化劑，在常溫常壓下模擬光合作用的過程，為人們提供取之不盡用之不竭的氫能源。 英國倫敦帝國學院的化學家詹姆斯·達蘭特（JamesDurrant）最近開發出了一種以鐵鏽為原料的催化劑。它可以促成水分解反應，然而效果卻不盡如人意。因此，達蘭特的研究小組正試圖通過改變鐵鏽表層成分來提高效率，例如在氧化鐵的表面添加少量的鈷催化劑。
與此同時，諾塞拉亦以鈷和磷為原料製造出了可在室溫下促成水分解的催化劑，初步結果已發表在《科學》（Science）雜誌上。諾塞拉指出，高效的水分解技術是儲存太陽能的有效方式。在白天，人工葉可以利用陽光分解水並製取氫氣；這些氫氣可以根據用戶需求在夜間發電。值得一提的是，這種化學燃料的單位能量儲量遠遠超過當今最先進的電池。英國能源研究中心（UKEnergyResearchCentre）的執行主任約翰·拉夫翰德（JohnLoughhead）認為，“人工葉”的創意擁有巨大的潛力。就本質而言，太陽能是唯一的可持續能源。天然光合作用的存在證明了該項目的可行性和套用廣度。
如今，其他國家亦開始進行類似的研究。美國正準備批准一項經費約為3500萬美元的聯邦研究，以鼓勵人們提供太陽能發電的創意，荷蘭方面也為此類研究提供了4000萬荷蘭盾的資助。
