核心提示
自27亿年前至今，地球上的绿色植物一直扮演者“太阳能量猎手”的角色。它们利用光合作用这项“技能”，孜孜不倦地将1.5亿公里外太阳馈赠的阳光转化为电，再转化为固定形态、可为地球生物利用的稳定化学能。多年来科学家一直试图模拟光合作用，令其更好地为人类服务。
近日，美国麻省理工学院的科学家在模拟光合作用领域取得了令人瞩目的进展，他们研制出一种廉价高效的人造树叶，它能够把阳光转化为化学燃料，这燃料能储存起来供未来使用。人造树叶如何采撷阳光，将其转化为能源？这些被转化的能量将储存在哪里？人造树叶中蕴藏的秘密又将为我们生活带来哪些改变呢？
电极催化材料更新换代催化效率大幅提高
辽宁日报：郭教授，您好！科学家对于人造树叶的想象由来已久，他们希望有一天能够洞悉植物的奥秘，用人工的方式复制植物的光合作用。近日这方面的研究传出佳讯，美国麻省理工学院的科学家称，其团队研发的廉价高效人造树叶可以产出氢气和氧气，为人们提供能源。我们想首先请教您，这种人造树叶和我们常见的树叶存在哪些异同？
郭荣波：可以说，这种人造树叶从外观上讲，完全不同于自然界的树叶，它是一片融入高科技含量的方方正正的太阳能电池。之所也称为“树叶”是因为人造树叶模拟了真实植物的光合作用原理，即用光能驱动电解槽，将水分解为氢和氧。人造树叶产出的氢能够被储存起来用于驱动燃料电池。
辽宁日报：您能具体介绍一下人造树叶是如何运作的吗？
郭荣波：好的。我们需要用到初高中阶段学习到的物理与生物知识来理解人造树叶的原理。
首先，我介绍一下自然界的光合作用是什么样的原理。发生在自然界树叶中的光合作用有两套系统。它们分别是吸收太阳光将水分解为氧气并产生质子和电子的系统，以及吸收二氧化碳生成植物生长需要的有机物的系统。两套系统分工协作，第一套系统产生的电子和质子会参与到第二套系统中，与二氧化碳反应生成淀粉及糖类有机物。
为了把阳光能量转换成化学能，树叶会分裂水，通过光合作用过程，产生分子状态的氧和氢（氢的形态是分离的质子和电子）。天然光合作用主要是植物吸收阳光，把它转换成空间上分隔的电子-空穴对。这种无线电流空穴会被放氧复合体捕获，会把水氧化为氧气。产生的电子和质子会被铁氧还蛋白捕获，借助一些化学物质产生氢气。人造合成材料要实现树叶的太阳能转换功能，这种光吸收材料就必须捕捉太阳光子，产生无线电流，并被催化剂利用，从而促进4个“电子-空穴对”的燃料形成和水分解反应。
简单地说，人造树叶的核心技术模仿了整个植物光合作用中最关键的过程：在光的参与下使用化学催化材料，将水在一定的电压下电解为氧气，同时将这个过程中生成的质子和电子结合生成氢气。收集起来的氢气灌入燃料电池后就可做发电用。
辽宁日报：听起来，这个原理似乎早已被科学家掌握。为什么这次公布的研究还会受到如此重视呢？
郭荣波：确实，关于人造树叶的研究可以追溯到许多年前，虽然原理上是可行的，而且科学家也一直在人造树叶的构建上开展研究，但是之前的研究一直没有真正成功实现人造树叶的功能，而且设计的人造树叶，都要依靠一些价格不菲的金属，比如铂、钌等作为催化材料。有的科学家还曾经使用过有 “半导体贵族”之称的砷化镓制备人造树叶。这些昂贵的材料使人造树叶难以“放低身段”走入日常生活，为人们服务。
而为了使这些设备可以更广泛地使用，在此次研究中研究者撤换了贵金属催化剂，采用相对廉价的钴、镍等金属化合物以及磷酸盐作为电极催化材料，不仅催化效率远高于传统材料，而且寿命更长、更稳定，使成本大大降低。因为所有这些材料在地球上都是丰富的。
人造树叶储能效率是普通电池的1400倍
辽宁日报：这种新人造树叶光合作用的效率如何，是否能够与自然界的植物相媲美？
郭荣波：人类目前正在努力仿造植物的光合作用，但目前开发的人造树叶与植物本身的光合作用难以相比，只是目前从原理角度，实现了这个水分解的过程。不过研究者认为，未来人造树叶的光合效率将会得到大幅提高，可以做到将1加仑水和人造树叶放置在阳光下，产生一个发展中国家家庭一天的基本用电量。
辽宁日报：解决了能量转化效率的问题后，怎样将人造树叶能量储存起来也是个难题。人造树叶储存能量的方式有何特别之处？
郭荣波：电池是最常用的电能蓄积装置，目前用途最广的蓄电池是铅蓄电池，但是这类电池反复充电和放电后，有效容量就会大大降低。而这一发明的一大亮点在于能将能量以氢能的形式储存起来。氢气可利用燃料电池发电，化学能可转化为电能。氢燃料电池与普通电池的区别在于，干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来，而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。
辽宁日报：人造树叶与其他收集能量的装置相比有哪些优势？
郭荣波：首先，人造树叶以阳光和水为制造氢气的材料，在反应过程中，所消耗掉的仅仅是水。事实上，即使是这些水在随后的放电过程中也会被再生出来，因此这一过程所需的仅仅是太阳光照而已。而我们知道太阳送到地球的光功率是12万太瓦，它取之不尽用之不竭，可以持续地为人造树叶“免费”提供能量。有强大的“靠山”，人造树叶优势明显。
其次，与其他装置相比，人造树叶的储能效率非常高。一般来说，电池的能量密度 （指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小）只能达到约0.1至0.5MJ/kg，超级电容器仅为约0.01MJ/kg，而人造树叶产生的氢气能量密度却高达140MJ/kg。这就等于说，同样质量的氢气储存的能量是电池的1400倍，是超级电容器的1.4万倍。
有望帮助人类解决能源与环境两大问题
辽宁日报：这项技术还有哪些尚未完善之处？
郭荣波：首先，我们知道真实的光合作用十分精细，涉及十余种辅助因子。人造树叶并未真正实现自然界早已运行上亿年的树叶的全部功能，它仅仅模仿了树叶中光系统中的局部功能。未来如果要更完善地解读植物的奥秘，还需要进行很多努力。植物的光合作用，整个反应系统都在叶片的细胞中，其中起到最关键作用的，是受到细胞液保护从而不失活性的酶，如果在人工条件下，把这条生产线建在一个叶绿体膜之外的地方，还要保证其正常工作，将是一项十分困难的工作。
虽然人造树叶仅仅利用阳光与水加工制造能量，但是在这个过程中还是使用了无机催化剂。催化剂废弃物的处理和回收也是未来该领域研究的重点。
此外，还有些学者提出如果只是供燃料电池使用，按比例混合的氢气和氧气也能勉强胜任。但如果要驱动汽车，就需要纯的能量密度更高的燃料了。因此如何提纯人造树叶产出的氢气也是一个难点。
辽宁日报：在未来，这项技术还会向哪些方向拓展？
郭荣波：从技术层面讲，人造树叶未来有很大的发展空间。刚才我们说过自然界的光合作用有两套系统，目前这项技术仅仅模拟了其中一套系统中的某些反应。如果这项技术能够向另外一个系统拓展，将植物光合作用的奥秘完全解开，让人造树叶吸收二氧化碳产生有机物，那么人造树叶将会更好地造福人类。假如光合作用的第二套系统也被科学家成功模仿的话，至少会对目前人类遇到的能源与环境两大问题产生重大影响。比如我们可以大规模地进行碳捕捉，将大气中人类过多排放的二氧化碳集中起来，将它们转化成人类需要的糖、醇类有机物。
更加廉价、更具实用性也是人造树叶未来的发展方向。如果制造人造树叶的成本低廉到可以进行商业开发，那么它们将会被大量制造。那时，一些偏远地区的人也可以购买一套这样的设备，用上便宜、清洁的电能，实现电力的自给自足。
辽宁日报：感谢郭教授的讲解！
本报记者／王 亮
新型人造树叶外观与普通树叶截然不同，但运作原理却十分相似。
新型人造树叶发明者美国麻省理工学院丹尼尔·诺塞拉博士。
专家档案
郭荣波 中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，生物制氢与沼气团队负责人，博士生导师。在国内外刊物上发表论文60余篇，申请专利12项。主要研究包括微藻光解水制氢技术、厌氧发酵制氢集成工艺与生物气体燃料高值化利用。研究方向：微生物光解水制氢与微生物厌氧发酵制氢集成工艺、生物气体燃料高效制备及利用技术开发。
