英國出版的Chemical Society Reviews（《化學學會評論》）雜誌曾以封面形式報道了這一發現

人工樹葉

　　美國科學家丹尼爾-諾切拉（Daniel Nocera）日前在第241屆美國化學學會的年會上宣佈了其研究小組的最新進展——一種廉價高效的“人工樹葉”。他在報告中説：“將一加侖水和人造樹葉放置在陽光下，可以提供發展中國家一個家庭一天的基本用電。”這個發明引起了科學界乃至世界各國主流媒體的關注——它被認為是人類尋找替代能源的征程中一個里程碑式的發明，甚至有人認為這片小小的“樹葉”可能將徹底解決未來的能源和與之相關的環境問題。

　　“人工樹葉”簡介

　　“人工樹葉”是一種如撲克牌大小的片狀材料，使用方法也非常簡單：將它放在水中，暴露在太陽光下，即可將水有效地分解為氧氣和氫氣，這些氣體再被輸送到一個分離的燃料電池中儲存併發出電力。

　　原理：電解水的過程

　　在説“人工樹葉”之前，先讓我們來了解一下自然界的樹葉是怎麼工作的。我們知道，植物是通過光合作用獲取生長所需的能量的。這其中的原理非常複雜。簡單地講，樹葉中有兩套系統：光系統Ⅰ和光系統II。光系統Ⅰ負責吸收二氧化碳，生成植物生長需要的有機物。光系統II負責吸收太陽光，並將水分解為氧氣，同時産生質子和電子。事實上，地球上95%的氧氣來源於這一過程，而産生的電子和質子將會參與到與二氧化碳的反應中，從而生成澱粉及糖類有機物用於植物生長。當然，這中間還涉及許多複雜的生化反應過程，在這我們不再詳細敘述。

　　與我們這一主題相關的是光系統II。在這一過程中，最關鍵、最複雜、也是最困難的過程就是將水分解為氧氣。而在諾切拉教授的報告中提及的“人工樹葉”，其核心正是模倣了樹葉的這一過程——通過一種化學催化材料，將水在一定的電壓下高效地電解為氧氣，同時産生質子和電子；産生的質子與電子可以結合，生成氫氣，提供一種清潔的能源。在這一過程中所需的電力，將由硅太陽能電池供給。

　　看了上面的介紹，也許有些人會有點失望，所謂“人工樹葉”原來就是電解水啊，這不就是我們在高中化學時就學過的反應嗎！簡單講，不就是用太陽能發電，再用電解水制氫氣和氧氣，然後再用氫氣和氧氣通過燃料電池來發電。

　　其實，諾切拉教授發明的核心就在於他們發現了高效廉價的電解水的電極催化材料，從而使得這一過程的經濟性大大增加，讓規模化應用成為可能。事實上，關於“人工樹葉”的研究可以追溯到十多年前，但由於往往利用鉑、釕等貴金屬作為催化材料，而且壽命短暫，因此很難進一步進行規模化應用。而諾切拉的研究小組則採用相對廉價的鈷、鎳等金屬化合物以及磷酸鹽作為電極催化材料，不僅催化效率遠高於傳統材料，而且壽命更長、更穩定，使成本大大降低。

　　核心：高效的儲能方法

　　我們知道，現在太陽能電池已經得到了很大發展，但其最大的問題是缺乏持續性——只有白天或者光照條件好的情況下才可以發電，到了晚上或陰雨天，不僅無法産生電力，那些在白天産生的電力也不能儲存。也就是説，如果不能即時使用，就會浪費掉。

　　而“人工樹葉”則有效地解決了這個問題。白天，將太陽能電池産生的電力通過電解水轉化為氫氣和氧氣，作為化學能儲存起來；晚上或陰雨天，又可以隨時通過燃料電池將儲存的化學能轉化為電能。

　　或許很多人會問，為什麼我們要通過這麼複雜的一種方式儲存太陽能電池所發出的電力呢，我們有非常成熟的電池或其他方式啊！事實上也確實有人在這麼做。但問題的關鍵在於“人造樹葉”有其他方式無法比擬的優勢。

　　首先，“人造樹葉”的儲能效率非常高。舉個例子，電池的能量密度只能達到約0.1-0.5MJ/kg，超級電容器僅為約0.01MJ/kg，而氫氣的能量密度卻高達140MJ/kg。通俗點説，同樣質量的氫氣儲存的能量是電池的1400倍，是超級電容器的14000倍。利用氫氣化學儲能的優勢是多麼明顯啊！其次，在這一過程中，所消耗掉的僅僅是水，因此也被形象地稱為“水燃料”。事實上，即使是這些水在隨後的放電過程中也會被再生出來，因此這一過程所需的僅僅是太陽光照而已。講到這裡，我想讀者應該了解了：“人工樹葉”並非一種新的獲取能源的方式，其核心是一種高效的儲存能源的方法。

　　未來：發展空間無限

　　在為這一發明興奮的同時，我們還應該清醒地意識到，所謂的“人工樹葉”其實還存在著較大的局限性。首先，“人工樹葉”並未真正實現自然界早已運行上億年的樹葉的全部功能，它僅僅模倣了樹葉中光系統II中的局部功能。其次，它的運行也要依賴太陽能電池和燃料電池來完成。再次，它還需要新型的廉價的壓縮氣體系統以儲存所産生的氫氣和氧氣，然後用於發電。因此，要把這一發明真正規模化應用還有很長的路要走。

　　即便如此，我們仍然可以看到這一發明在未來發展的廣闊前景。正如前面所講，這一發明的核心在於將電能高效地以氫能的形式儲存起來。因此，其電力的來源也將不會僅局限于太陽能電池，也可以是風能、地熱能、核能，甚至化石燃料的化學能等。比如説，很多人參觀風力發電廠時會奇怪為什麼有些風機並不運轉，這並不是因為我們有太多的電力了，而是因為電網無法承受這些多出來的電力。據報道，由於無處儲存，僅在美國，去年一年就損失了25TWh的風機潛在電力。而這一發明無疑將為解決這個問題提供新的途徑。

　　“人造樹葉”還有很大的發展空間。也許在不遠的將來，“人造樹葉”也能兼具光系統Ⅰ的功能：通過合適的化學反應，讓“人造樹葉”吸收二氧化碳生成有機物。在如今地球已不堪重負的今天，將廢棄有害的二氧化碳通過這種類似于光合作用的方式轉化成對人類有用的有機物（如糖、醇類等），將是多麼偉大的發明啊！