互动科普

如同一位来自于地狱的传道者，美国加州理工学院（Caltech）的化学家内森·S·刘易斯（Nathan S. Lewis）作了一次关于能源危机的演讲，振聋发聩。刘易斯指出，为了遏制全球变暖不断加剧的势头，到2050年，人类必须至少生产出10万亿瓦不含碳的清洁能源，这个数字是美国平均能量消耗（3.2万亿瓦）的3倍。刘易斯说，即便为地球上所有的江河湖泊都筑上堤坝，建成水电站，也只能提供5万亿瓦的电能。核能可以解决这个问题，但前提是在未来50年里，每两天就必需建成一座新反应堆。

刘易斯的演说令人非常沮丧，但他随即提出了一种解决思路：太阳在一个小时内照射在地球上的能量，足够人类使用一年！为了得到救赎，人类必须在太阳能燃料技术上取得重大突破——制造人造树叶，像植物一样俘获太阳光，并就地产生化学燃料。我们可以燃烧这些燃料，就像使用石油或天然气一样，用于驱动汽车、产生热量以及发电；我们还可以把它们储存起来，以备太阳落山后使用。

刘易斯的实验室是全球少数几个能够制造这种原型“树叶”的实验室之一，他们研制的“树叶”比计算机芯片大不了多少，可以从水中获取氢燃料，而不像天然树叶那样获取葡萄糖能量。与化石燃料不同，氢气属于清洁能源。别的研究者正致力于采用其他途径来获取太阳能，例如从经过基因改造过的藻类中提取生物燃料，或者设计出可以提取石油的新的生物有机体。这些方法的目的一致：把太阳光转化为可以存储、输运以及易于使用的化学能。刘易斯指出，人类文明要继续前进，需要数量巨大的能源来推动，而人造树叶就是最有可能满足这一需求的供能方法。

从光子中获取燃料

研究者仿照树叶光合作用的原理，设计出了能将光能转换为电能，并以此电解水产生氢气的器件。

虽然一些实验室已经制备出少量太阳能燃料电池原型[化学家有时称之为电燃料（electrofuel）]，但要实现低成本量产，仍需要突破一些技术难题。在刘易斯看来，要给整个地球提供能源，就必需制造出柔韧的太阳能电池薄膜，能够像印报纸一样在流水线上高速生产，而不能是一块块类似芯片的器件。这种太阳能电池膜还必须便宜得像地毯一样，并最终覆盖到相当于南加利福尼亚州这么大的一片地区。

早在上世纪70年代石油危机期间，美国总统吉米·卡特（Jimmy Carter）在推进替代能源计划时，就已经开始了太阳能燃料技术的研究。现在，随着新一轮能源和气候问题的迫近，太阳能燃料迅速引起了人们的关注。瑞士乌普萨拉大学（Uppsala University）的研究人员斯滕比容·斯蒂林（Stenbjörn Styring）正在开发一种模拟光合作用（photosynthesis）的人造系统。他说，从事这项挑战性研究的组织已从2001年仅有的两个发展到了今天的29个，“还有很多可能是我没有统计的”。

今年7月，美国能源部向刘易斯领导的一个研究团队提供了为期5年、总额达1.22亿美元的资助，主要用于太阳能燃料技术的研究，这也是美国能源部优先资助的3个新能源研究项目之一。美国能源部主管科学事务的副部长史蒂文·E·库奥宁（Steven E. Koonin）说，太阳能燃料“能够解决能源安全和碳排放这两大难题”。库奥宁认为，把太阳能转化为化学燃料在实施时将面临“难以克服”的实际困难，但这项技术值得投资，因为它将带来“足够巨大的回报”。

在光合作用中，绿叶利用太阳光的能量对水和二氧化碳中的化学键进行重排，产生糖类燃料，并储存起来。刘易斯说：“我们希望设计出与绿叶光合作用尽可能相似的过程。”这句话的意思是指，哪怕产生的是一种不同的化学物质，那些器件也要工作得尽量简单。刘易斯设计的人造绿叶需要两个基本成分：一个将太阳能（光子）转换为电能（电子）的收集器和一个利用电能将水分解为氧气和氢气的电解槽（electrolyzer）。催化剂（catalyst，某种化学物质或金属）会被添加在其中，以促进这一分解过程。现有的光伏电池（photovoltaic cell）已将太阳能转换为电能，电解槽也已应用于众多工业化过程，因此现在要做的，就是将两者结合起来，制成一种便宜且高效的太阳能薄膜。

为了演示两者如何结合工作，目前人们已经开发出大量太阳能薄膜原型。日本本田汽车公司的工程师就研制了一个比冰箱还高的设备，表面覆盖有光伏电池，内部则有一个用于分解水分子的电解槽。这个设备将产生的氧气排放到空气中，将剩余的氢气压缩和储存起来。本田公司计划以此对燃料电池汽车进行充电。

这种方法只需要阳光和水就可以产生能量，副产物是氧气，而氢气随后在燃料电池中燃烧，生成的产物还是水，因此从理论上讲，这种方法可以解决碳排放问题。目前面临的困难在于，商业化太阳能电池中含有昂贵的硅晶体，而电解槽则由贵金属铂制成。铂是目前催化水分解反应最好的材料，但它的价格高达每克350元人民币。

这意味着本田公司的太阳能制氢工作站产生的能源永远不可能为全世界供能。刘易斯预计，要满足全球的能源需求，未来太阳能燃料器件阳光收集表面每平方英寸的成本不得超过1美元，并且将光能转换能为化学燃料的效率必须达到10%。同时，还需要寻找新型的、可大规模生产的技术，比如用价格低廉的材料制成薄膜。正如刘易斯在加州理工学院的同事小哈里·A·阿特沃特（Harry A. Atwater, Jr.）所说：“我们需要像土豆一样便宜的芯片，而不是硅芯片。”

寻找催化剂

目前使用的催化剂都是贵金属，而要实现量产并普及太阳能燃料电池，还须找到廉价的替代品。

虽然相关的工作已经断断续续地开展了几十年，但关于这项技术的探索仍然处于初级阶段。一个具有代表性的实验可以说明其中的原因。1998年，美国可再生能源国家实验室（National Renewable Energy Laboratory，位于科罗拉多州）的研究人员约翰·特纳（John Turner）开发了一个火柴盒大小的器件，将它置于水中并暴露在阳光下时，它能以惊人的速度产生氢气和氧气，效率达到了普通树叶的12倍。但是特纳的发明依赖于稀有且昂贵的材料，其中就包括作为催化剂使用的铂。据估计，特纳的太阳能燃料电池每平方厘米成本约1万美元。这项发明可能会用于军事和卫星领域，但不适合民用。

贵金属往往是最好的催化剂，但它们极为稀缺。“这是这项研究中的一大难点，”斯蒂林说，“要想拯救地球，我们必须摆脱对所有这些贵金属的依赖，用铁、钴和锰之类的廉价材料达到同样的效果。”水分解反应的高度腐蚀性则是另一个难题。植物可以通过不断重建内部的光合作用“装置”来解决这个问题，特纳的太阳能电池却只能使用20小时。

今天，特纳的研究团队正致力于研发下一代产品，这需要找到更廉价的催化剂和可以工作更长时间的太阳能收集装置。但是这项工作似乎还没有取得什么进展。“寻找一种合适的材料就跟大海捞针，”特纳说，“进展非常缓慢。”

其他研究者也在寻找新的催化剂，其中就包括丹尼尔·G·诺切拉（Daniel G. Nocera）领导的麻省理工学院研究小组。2008年，诺切拉和一位同事无意中发现，由磷和钴构成的一种廉价材料能够催化产生氧气，这是水分解反应的一个必要步骤。

这种原型器件仅是各项技术难关中的一小部分，但研究人员还没有找到一种更好的催化剂来生成真正的燃料——氢，不过MIT的研究人员仍大力称赞这一发现，说这是实现“人工光合作用”的一次“重大飞跃”。诺切拉预言，用不了多久，人们就可以使用自家后院里不太贵的设备自行生产驱动汽车所需的氢燃料了。一些太阳能燃料电池专家并不认同这种大胆的预测，他们坚持认为，这项研究起码要过几十年才能得出成果；另外一些人则比较乐观，比如美国能源部和北极星投资公司（Polaris Venture Partners），它们正在积极资助Sun Catalytix公司（诺切拉在马萨诸塞州剑桥市创建的公司）的研究工作。

与此同时，加州理工学院的刘易斯也在研究一种收集和转换太阳光子的新方法，这是任何太阳能燃料电池器件都必须完成的第一项任务。他的新方法比传统硅太阳能电池的成本要低得多。刘易斯设计和制备了一种收集器，由嵌在透明塑料薄膜上的硅纳米线制成。如果做得足够大，它就可以“像毯子一样卷起和摊开”，刘易斯说（见第XX页图）。刘易斯的纳米线可以将7%的光能转换为电能，与商业化太阳能电池20%的转换效率相比还有相当大的差距。但如果这种材料的生产成本足够低，就像报纸用的纸一样廉价，那么即便转换效率较低，也是可以接受的。

氢气是不是太阳能燃料的最佳选择？研究人员仍在争论。用基因方法改造有机生物来产生液体燃料的研究者发现，生物燃料比氢气更易于储存和输运。但是氢燃料也有它的优点：它可以用于燃料电池汽车，也可以在发电厂燃烧发电，甚至可以作为原料生产合成柴油。无论如何，“关键在于要用最少的碳排放来生产一种高能化学燃料”，刘易斯说，“究竟选用哪种燃料，我们不要太在意。”

事实表明，自然界中的叶子利用极为普通的元素就可以将太阳光转换为燃料。人类能否模拟这个过程，来解决气候变暖问题，拯救我们的地球呢？目前还不是很清楚。“我们利用现有方案无法很好地解决这个问题，这正是这个研究领域现在如此令人激动的原因，”刘易斯说。不过他也担心，包括决策者、政府基金会甚至科学家在内的社会各个阶层，仍然不能很好地认识能源问题，或者说不清楚为何需要创新性的解决方案。正因为如此，他才会花费这么多时间巡回演讲，宣扬他的太阳能拯救方案。“我们从来没有像现在这样面临如此巨大的困难，我们失败不起。”

本文作者

安东尼奥·雷加拉多是一位科学记者，同时也是《科学》杂志的拉丁美洲撰稿人。目前他居住在巴西圣保罗，主要报道能源方面的进展，包括可再生能源。

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利用太阳能

自然能源：植物从阳光、空气和水中获得自身所需的化学燃料（糖），并且不产生有害物质。

人造树叶：研究者正在设计可以把阳光和水转化为氢燃料的人造“树叶”。这些氢燃料通过燃料可以驱动汽车、产生热量及发电，从而结束对化石燃料的依赖。

纳米解决方案：为了能够实际应用，这种太阳能燃料电池技术必须使用成本低廉且柔韧的薄膜材料，硅纳米线，还需要廉价的催化剂来提升产出氢气的效率。

下

人造树叶可以利用阳光产生氢燃料，用于驱动汽车，并为电厂提供燃料。

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要想拯救地球，我们必须摆脱对所有这些贵金属的依赖，用铁、钴和锰之类的廉价材料达到同样的效果。

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工作原理

模拟大自然的太阳能纳米线

植物利用太阳能将二氧化碳和水转换为可以使用和存储的化学燃料——葡萄糖（左图）。研究者正致力于设计一种人造树叶，利用太阳光分解水产生氢燃料。纳森·刘易斯在加州理工学院的研究组设计了一种非常小的叶子，由硅纳米线阵列组成，可以利用阳光来产生氢气（右图）。

注入能量：太阳光子被光敏材料（photoactive material）吸收。在植物中，光敏材料为叶绿体（chloroplast）中的类囊体（thylakoids）；而在人造的用于分解水阵列中，光敏材料是半导体纳米线。

氧化：被吸收的光子能量与叶绿体或纳米线阵列中的水相互作用，将水分子分解成氢离子和氧气。

还原：在植物中，氢离子与电子和二氧化碳在基质（stroma）内结合，形成葡萄糖；在纳米线阵列中，氢离子穿透一层膜，与电子结合形成氢气分子。

输出燃料：此过程产生可以存储和输运的燃料。植物产生的是葡萄糖；纳米线阵列产生的是氢气。

本文译者

孙宏宇，清华大学材料科学与工程系博士后，合作导师为我过材料科学家朱静院士，研究方向为功能纳米材料。