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研究人员正研究如何模仿树叶的光合作用来将水分解成氢和氧,从而以此发电为地球提供能源.
科学家们希望能够模仿进化史上登峰造极的成就之一：树叶.（照片：格雷姆·罗伯逊）
树叶是进化史上登峰造极的成就之一,可谓是一个小型的绿色电站兼有机食品加工厂,是地球上所有生物的能量来源.
目前,开发新一代清洁能源的科学家们正在着力解决如何复制并最终改进谦谦树叶的问题.光合作用是植物利用阳光将水及二氧化碳转化为糖类有机物的过程,其中所涉及的错综复杂的化学反应过程是地球上最高效的太阳能转换过程.研究人员认为,模仿这一过程的部分可能就是实现清洁能源取之不断的关键.
太阳光尚未开发的利用潜力非常巨大.阳光照射地球一小时的能量就能满足人类一整年所有活动的能源需求.哪怕只是能利用其中的一小部分,将其转化成电力或可使用的燃料,也就能满足世界日益增长的能源需求（预计至2050年将增加一倍）,而且对全球气候不会造成进一步的危害.
大多数太阳能电力系统直接利用硅片发电.但是,尽管其成本正在降低,在许多情况下,与煤、石油及天然气之类的矿物燃料相比,仍过于昂贵.科学家们正热衷于开发更高效、更便宜的替代能源.
在伦敦帝国学院（imperialcollegelondon）,研究人员开始了一项预算达100万英镑的科研课题,旨在研究然后最终模仿光合作用.该科研课题的一个分项目是“人工叶”,研究树叶究竟是如何利用太阳光来制造出有益的物质分子.该课题小组随后计划建造一个人工系统,可以用相同的方法来制造氢及甲醇之类清洁燃料.然后,这些燃料就会被用于燃料电池用以发电,或直接向超净车辆提供动力.
世界各地都在加紧类似研究项目的步伐：美国即将批准一项每年预算为3500万美元的联邦研究经费,提供给致力于利用阳光制造燃料的研究项目.荷兰政府也为类似研究项目拨出4000万欧元的专用经费.
伦敦帝国学院生物学家、人工叶项目负责人詹姆斯·巴伯（jamesbarber）指出,如果人工光合作用系统能够利用所照射到阳光的10％,那么它们只需覆盖地球表面的0.16％,就可以满足全球每年20太瓦（terawatt,又称兆兆瓦）的能源消耗,这一数据是世界2030年需求的预测数据.与生物叶不同,人工叶可被放置在世界上干旱的沙漠地区,无需占用农田.
最终,巴伯希望能在树叶这大自然本身所固有的太阳能电池的基础上加以改善.“如果树叶可以做到,我们就能做到,甚至做得更好,”他说,“（但是）这并不意味着我们需完全按照树叶来设计建造人工叶.达芬奇曾试图设计羽毛可以上下摆动的飞行器.但最终人类建造出波音747及空中客车380,这些飞机与鸟完全不同,事实上,它们甚至飞得比鸟更好.”
光合作用的第一步就是利用阳光将水分解为氢和氧的化学反应.产生的氧气被释放到大气中,而氢则被用于合成植物所需的糖类及其他有机物分子.巴伯负责的人工叶项目其目的是找到一个有效地模拟水分解反应的方式,来创建一个取之不尽用之不竭而且清洁环保的氢来源.与正常的树叶不同,这些新的装置不会吸收大气中的二氧化碳.
氢气是一种清洁而又高能量的燃料,可用于燃料电池发电,或者与大气中（或从矿物燃料发电站所排放的）二氧化碳结合,制造甲醇,这种燃料可直接灌入汽车而无需对引擎做任何修改就可使用.巴伯说：“目前的挑战就是,利用阳光这种随处可得的能源,将氢从水中分解出来.”
麻省理工学院化学家丹·诺塞拉（dannocera）计算过,在家用方面,每天只需使用人工叶将几公升的水分解为氢和氧,就足以供应整个家庭一天的能源需求.
科学家们已可以通过分解水来生产氢,但目前的水分解技术成本昂贵,而且需使用有害的化学品,运作环境也需要得到严格控制.人工叶项目的关键部分就是开发由廉价原料制成的催化剂,可以在日常环境中用来分解水.
英国能源研究中心（ukenergyresearchcentre）执行董事约翰·劳赫德（johnloughhead）非常看好人工叶这一设想的前景,因为“我们知道植物早就进化出这一功能,而且我们知道,从根本上说,在大规模推广利用方面来说,这是可行的.”
他补充说：“归根结底,我们所能得到的唯一可持续的能源形式就是太阳.从战略角度看,你不得不承认这似乎颇为有趣,因为我们知道,我们始于一个完全可行的基础.”
伦敦帝国学院化学家詹姆斯·达兰特（jamesdurrant）领导的巴伯的一些同事,最近开发出一种由锈制成的可完成部分水分解反应的催化剂.到目前为止,这个水分解过程不是很有效,因此达兰特的研究小组正在尝试,通过精心处理锈表面来改进水分解过程.“我们正在尝试通过在氧化铁表面上添加少量钴催化剂,希望能增加其有效性.”
新能源汽车英语介绍诺塞拉也正在从事于开发一种由钴及磷制成的可在室温下分解水的催化剂.去年在《科学》杂志上,他发表了其初步研究结果,那时他曾指出,有效的水分解技术将会是储存太阳能的一种非常有用的方法,而储存太阳能对任何想要大量使用太阳能的人来说,都是一个关键问题.在白天,一片人工叶可以利用阳光进行水分解,而在夜晚,储存的氢将按照即时需求而用以发电.氢之类的化学燃料每单位质量所储存的能量甚至可以比最先进的电池都要多.
达兰特和诺塞拉各自正在开发的催化剂都还需好多年才能真正成为商业化产品.