人造樹葉指的是一種人工的合成樹葉，主要由玻璃晶片制成，是人造樹木的一部分。“水晶葉”中排列著微小的水流管道，可使水流到達(dá)樹葉進(jìn)行蒸發(fā)。整個(gè)裝置的驅(qū)動(dòng)力——即能量的產(chǎn)生源自中樞莖桿。莖桿中有與電路相連的金屬片，起到電容器的作用。水流經(jīng)過樹葉時(shí)，會(huì)與空氣中的氣泡定期相遇。由于水和空氣的電學(xué)性能不同，因此，水流和氣泡的每次邂逅都會(huì)產(chǎn)生些許電流。這些電流被電容器吸收，用于驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置的運(yùn)行。

 樹葉概述

所謂“人造樹葉”，其實(shí)是一種人工的合成樹葉，主要由玻璃晶片制成，是人造樹木的一部分。“水晶葉” 中排列著微小的水流管道，可使水流到達(dá)樹葉進(jìn)行蒸發(fā)。整個(gè)裝置的驅(qū)動(dòng)力――即能量的產(chǎn)生源自中樞莖桿。莖桿中有與電路相連的金屬片，起到電容器的作用。水流經(jīng)過樹葉時(shí)，會(huì)與空氣中的氣泡定期相遇。由于水和空氣的電學(xué)性能不同，因此，水流和氣泡的每次邂逅都會(huì)產(chǎn)生些許電流。這些電流被電容器吸收，用于驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置的運(yùn)行。

與電池產(chǎn)生的電流相比，這些碰撞產(chǎn)生的“火花”是微不足道的。因此，科學(xué)家正在致力于提升“水晶樹葉”可產(chǎn)生的電流量。

最終，“水晶樹葉”將被“安裝”在人造大樹上。Michel Maharbiz稱，陽光可驅(qū)動(dòng)大樹的“運(yùn)行”，促進(jìn)“水晶葉”的蒸騰作用。

他還樂觀地預(yù)計(jì)，在不久的將來，美國(guó)人民的籬柵也許都將被由太陽能電池板驅(qū)動(dòng)的人工大樹所取代。而人工大樹將也和自然森林一樣，成為吸碳吐氧的環(huán)保功臣。

生動(dòng)展示

在美國(guó)麻省理工學(xué)院禮堂內(nèi)，坐滿了科學(xué)家和美國(guó)政府部門負(fù)責(zé)能源問題的官員。講臺(tái)上，麻省理工學(xué)院化學(xué)系教授丹尼爾·羅塞拉正在通過視頻展示他的最新研究成果，禮堂的燈光調(diào)得很暗，水槽內(nèi)浸著一塊條狀材料，材料周圍不斷有大量氣泡冒出。丹尼爾正在激動(dòng)地說明：“這些氣泡就是水槽中的水分解后產(chǎn)生的氧氣，這個(gè)裝置代表了我們的未來，我們已經(jīng)獲得了人造樹葉，像真正綠色植物的樹葉一樣通過光合作用將太陽光中的能源充分利用，轉(zhuǎn)化為我們需要的能量。”

實(shí)際上，丹尼爾教授展示的正是利用光合作用原理將水分解成氧氣和氫氣的化學(xué)反應(yīng)裝置，由于丹尼爾教授成功研發(fā)出一種催化劑，利用這種催化劑，水分解的化學(xué)反應(yīng)首次可以在常溫下進(jìn)行，從而克服了利用水制成氫氣這一重要反應(yīng)中最困難的一個(gè)難題。這個(gè)成果的重要意義更在于，利用太陽能發(fā)電的主要障礙將被克服，太陽能可能取代石油成為最主要的能源。

在丹尼爾的研究中，太陽光照射下，水分解成氫氣，而氫氣是一種用途多樣容易儲(chǔ)存的燃料，可以密封在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)，也可以與燃料電池中的氧氣重新結(jié)合，更重要的是，如果該設(shè)想用在海水中，太陽能不僅能分解海水產(chǎn)生電能，更能使得分解后的氫氣與氧氣重新結(jié)合而形成寶貴的淡水。

模擬光合作用儲(chǔ)存太陽能的技術(shù)早在上世紀(jì)70年代初就進(jìn)入了科學(xué)家的視線。幾十年來，研究人員一直在嘗試復(fù)制綠色植物分解水的方式。利用化學(xué)方式，科學(xué)家早已能夠完成水的分解反應(yīng)，但這些化學(xué)反應(yīng)條件非?？量蹋瑴囟群芨?，溶液具有腐蝕性很強(qiáng)的堿性，而且催化劑需要用到鉑等稀有而昂貴的化合物。丹尼爾的設(shè)計(jì)就像光合作用一樣，分解水的反應(yīng)在室溫下就可進(jìn)行，溶液也沒有腐蝕性，更重要的是催化劑非常便宜，可以很容易地得到氫氣和氧氣。

丹尼爾認(rèn)為可以從兩個(gè)方面利用他的這個(gè)研究突破。一種是，利用傳統(tǒng)的太陽能板捕獲太陽能發(fā)電，利用這些電能將電解槽中的水分解，這些電解槽中放有丹尼爾研制的催化劑。另一種是，設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)完全模擬樹葉的結(jié)構(gòu)，將催化劑與特制的染料分子間隔著緊密排列，燃料吸收太陽光捕獲能量，這些能量幫助催化劑啟動(dòng)水的分解反應(yīng)。無論哪種設(shè)計(jì)，當(dāng)水分解成氫氣后，太陽能就儲(chǔ)存到氫氣燃料中了，這樣無論夜間還是陰雨天，儲(chǔ)存的氫氣可以代替太陽光為我們發(fā)電。

全新特點(diǎn)

像樹葉一樣“零排放”

光伏產(chǎn)業(yè)作為新能源領(lǐng)域的生力軍，已成為江蘇增長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。但是，作為清潔能源代表的硅太陽能電池，產(chǎn)業(yè)鏈上游的硅原料生產(chǎn)卻是高能耗和高污染產(chǎn)業(yè)。為此，科學(xué)家已著手研制用更多新材料制備太陽能電池。

南京工業(yè)大學(xué)教授馮曉東向記者介紹，其中一種新型太陽能電池，使用了廉價(jià)的性能很好的納米二氧化鈦為電池的負(fù)極，然后在納米二氧化鈦上吸附一層對(duì)太陽光敏感的有機(jī)染料，所以叫染料敏化太陽能電池。它制作的原材料簡(jiǎn)單易得，工藝并不復(fù)雜，功能如同于一片樹葉，所以被形象地稱為“人造樹葉”。

和樹葉相比較，染料敏化太陽能電池中所使用的染料，就如同樹葉中的葉綠素，在太陽光的照射下，會(huì)產(chǎn)生電子，納米二氧化鈦電極則是集結(jié)電子的收集器。這種電池只要在光照下，就會(huì)源源不斷地產(chǎn)生電子，將光能直接轉(zhuǎn)化為太陽能，而且不會(huì)排放任何廢物。

薄如蟬翼，可隨意彎曲

據(jù)悉，由于二氧化鈦具有較好的可見光透過率，所以這種“人造樹葉”幾乎是透明的，薄如蟬翼而且可以隨意彎曲，隨著材料和器件結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，這種神奇“樹葉”的商業(yè)化前景非常樂觀。

專家介紹，這種透明的“樹葉”如果做成大面積的，有可能代替玻璃，只要接收光照，就可以為室內(nèi)小型電器提供動(dòng)力，也可以為室外廣告牌提供電力。在高原沙漠地帶，只要在車頂上架個(gè)裝有“人造樹葉”的大篷，就可以為小型汽車提供動(dòng)力，人們長(zhǎng)途旅行時(shí)就不用擔(dān)心汽車缺少燃油，還免除了旅行中額外的輜重。

此外，這種可彎曲并且透明的電池不但收放自如，還能層疊起來，提高太陽光的利用率，在航天方面將是宇宙飛船或者衛(wèi)星動(dòng)力的新寵。

產(chǎn)生原理

模擬植物光合作用

綠色植物的光合作用原理，就是利用葉綠素捕獲太陽能，然后利用太陽能啟動(dòng)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，通過這些化學(xué)反應(yīng)將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化成淀粉和多糖等能量豐富的碳水化合物。研究人員模擬光合作用的研究重點(diǎn)主要集中在光合作用的第一步，即蛋白質(zhì)和無機(jī)催化劑如何共同作用，幫助植物中的水分高效分解成氧離子和氫離子。

早在上世紀(jì)70年代初，日本東京大學(xué)一位研究生最先證明，利用二氧化鈦(白色涂料的組分)制作的電極，500瓦氙燈產(chǎn)生的強(qiáng)光能夠?qū)⑺纸?，這一發(fā)現(xiàn)首次證明光能夠被用來分解植物外的水分。1974年，美國(guó)北卡羅來納大學(xué)化學(xué)系教授湯姆斯·梅爾證明，釕金屬涂料能夠在光能作用下發(fā)生化學(xué)變化，使水失去電子，幫助完成水分解反應(yīng)最開始的重要一步。

雖然這兩種技術(shù)最終證明沒有實(shí)用性，二氧化鈦不能吸收足夠量的太陽光，梅爾實(shí)驗(yàn)中的釕涂料在光作用下的化學(xué)形態(tài)存續(xù)時(shí)間太短，只是瞬間態(tài)，但是兩項(xiàng)科研成果激發(fā)了科學(xué)家們的想象力，眾多科學(xué)家開始了模擬光合作用的研究。

幾十年來，科學(xué)家們已經(jīng)通過研究弄明白了植物吸收太陽光和儲(chǔ)存能量所需要的特殊結(jié)構(gòu)和物質(zhì)，但是反應(yīng)所涉及的詳細(xì)機(jī)理還沒有弄清楚，直到2004年，英國(guó)倫敦皇家學(xué)院的研究人員才證明，植物光合作用中水中氧分子得以分離的關(guān)鍵在于一組特殊結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)和金屬，催化劑的核心組分是蛋白質(zhì)、氧原子、鎂離子和鈣離子以特殊方式結(jié)合后形成的。

丹尼爾從1984年開始就一直從事光合作用背后的化學(xué)反應(yīng)研究。剛開始，他連“如何從水中分離氧”這一最重要的問題都無法解決，于是開始改變思路，通過逆向思維，研究如何將氧離子與電子結(jié)合合成水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，某些含鈷的化合物是這類反應(yīng)比較好的催化劑，當(dāng)他反過來重新研究水分解反應(yīng)的時(shí)候，選擇了同樣的鈷化合物作為催化劑。

鈷化合物在水中很容易溶解后將鈷分離，所以無法對(duì)這些鈷化合物的催化作用進(jìn)行研究，丹尼爾于是大膽選用磷酸鈷代替那些復(fù)雜的鈷化合物，直接驗(yàn)證鈷對(duì)水分解反應(yīng)的作用。將電極浸在含有磷酸鈷的水溶液中，當(dāng)通上電流后，鈷離子和磷酸根離子會(huì)聚集在電極上并形成一層非常薄的薄膜，幾分鐘后電極上就會(huì)形成一層濃厚的氣泡，進(jìn)一步的試驗(yàn)證明，這些氣泡就是水分解后產(chǎn)生的氧氣。丹尼爾和他的同事們沒有想到，磷酸鈷這么簡(jiǎn)單的化合物能夠取代植物光合作用中的復(fù)雜化合物，催化水的分解反應(yīng)。

而這個(gè)簡(jiǎn)單的催化劑正是科學(xué)家們需要的，有了它，就能夠在光合作用一樣的室溫條件下將水分解成氧氣和氫氣了。丹尼爾接下來準(zhǔn)備繼續(xù)研究其他金屬的催化作用，并且利用這些金屬催化劑設(shè)計(jì)出分解水的電池。

研究進(jìn)展

專家正著手提高其轉(zhuǎn)化效率

馮曉東介紹，和其他類型的太陽能電池相比較，染料敏化太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率雖然不是最高的，但是它制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，能達(dá)到很高的性價(jià)比，成本只有硅電池的五分之一到十分之一，所以目前國(guó)內(nèi)外都有科學(xué)家在進(jìn)行相關(guān)研制，但普遍存在的問題是光電轉(zhuǎn)化率較低。“太陽能的光譜很寬，但現(xiàn)在染料‘捕光’的能力比較弱，只能吸收太陽能中的可見光，大量的紅外光等不能被吸收，這是很大的浪費(fèi)。”

據(jù)悉，東南大學(xué)和南京工業(yè)大學(xué)等高校專家們正著手這種新型太陽能電池的研究。南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在化工領(lǐng)域有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，憑借這種優(yōu)勢(shì)，專家正在尋找效率更高的有機(jī)染料，使不同波長(zhǎng)的陽光都能被“染料”抓住，進(jìn)一步提高其光電轉(zhuǎn)化效率。

科研意義

丹尼爾的研究一經(jīng)公布，立即引來一些人的質(zhì)疑，這些質(zhì)疑主要集中在，丹尼爾的研究成果不能保證規(guī)?；\(yùn)作，即無法實(shí)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)用。

首先，對(duì)于設(shè)計(jì)電池的運(yùn)用，一般情況下，電流越大，催化劑使水分解成氧氣的速度越快，目前丹尼爾的電極所產(chǎn)生的電流每平方厘米只有1毫安，而商業(yè)化運(yùn)作目標(biāo)的電極通常需要每平方厘米1000毫安的電流，這個(gè)差距相當(dāng)大。

另外對(duì)于儲(chǔ)存太陽能，丹尼爾的原理需要將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，再轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，然后再轉(zhuǎn)化成電能，這些步驟會(huì)浪費(fèi)掉太多的能量，影響太陽能的轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)人士表示，現(xiàn)在需要做的是改進(jìn)電池技術(shù)或電能儲(chǔ)存技術(shù)，而不是設(shè)計(jì)水分解器和燃料電池，電解槽效率太低，丹尼爾的研究沒有超越。

縱然有諸多質(zhì)疑，丹尼爾的研究更多的是得到同行的肯定。相關(guān)專家認(rèn)為，丹尼爾的設(shè)計(jì)可以真正模擬樹葉的光合作用原理，是“人造樹葉”。作為催化劑的涂料本身像一根分子電線，當(dāng)陽光照射時(shí)，涂料電極能夠產(chǎn)生電壓，分子電線能夠?qū)щ?，被涂料吸收的太陽光能夠?qū)動(dòng)水分解的反應(yīng)。人造樹葉比單獨(dú)使用太陽能板和電極來得更加便宜，能量轉(zhuǎn)化效率也更高。

另外一個(gè)重要意義在于，丹尼爾的催化劑可以用來分解海水。初步試驗(yàn)證明，這些催化劑在鹽水中仍然保持催化活性，這樣的話，丹尼爾的實(shí)驗(yàn)成果不但能夠解決能源危機(jī)，還能幫助解決全世界淡水嚴(yán)重短缺的問題。