模擬大自然中植物的光合作用，用陽光、水和二氧化碳制造出可按需使用的化學(xué)能源，這是2010年美國人工光合作用聯(lián)合中心(JCAP)成立時(shí)的主要目標(biāo)。5年來該中心的研究取得重大進(jìn)展，他們首次使用高效、安全、集成的太陽能系統(tǒng)分離水分子并制造出氫氣燃料，新研究的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)證明可將10%的太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。
植物的光合作用
這種被稱為“人工樹葉”的新系統(tǒng)包含三種主要部件：兩個(gè)電極——一個(gè)光電陽極、一個(gè)光電陰極，還有一層薄膜。光電陽極利用陽光來氧化水分子，產(chǎn)生質(zhì)子、電子和氧氣。光電陰極將質(zhì)子和電子結(jié)合起來產(chǎn)生氫氣。該系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是塑料薄膜，它可以保證氧氣和氫氣的分離。如果兩種氣體混合起來并被意外點(diǎn)燃，可能會產(chǎn)生爆炸，這層薄膜可以讓氫氣在壓力條件下單獨(dú)被收集起來，并被安全送入管道。
硅和砷化鎵等半導(dǎo)體可以高效吸收光，因此被廣泛用于太陽能電池板中。但是這些材料遇水會氧化(生銹)，因此無法直接用于“人工樹葉”系統(tǒng)。JCAP的研究人員在電極上添加了62.5 nm厚度的二氧化鈦涂層，在允許光照和電子通過的同時(shí)有效地阻止了以砷化鎵為材料的光電極的生銹。
新系統(tǒng)的另外一個(gè)突破是使用了活躍的、成本低廉的催化劑來制造能源。光電陽極需要一種催化劑來促使分離水分子的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。稀有而昂貴的金屬如鉑可以作為有效的催化劑。不過，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，將2 nm厚度的鎳添加在二氧化鈦薄膜表面，可以作為更有效且更低廉的催化劑。
這一集成系統(tǒng)的面積約為1平方厘米，可以將10%的太陽能轉(zhuǎn)化為能儲存的化學(xué)能，并可持續(xù)工作40小時(shí)以上。JCAP科技總監(jiān)、加州理工學(xué)院化學(xué)教授納特·路易斯說：“這個(gè)新系統(tǒng)打破了人工樹葉技術(shù)在安全、性能和穩(wěn)定方面的綜合紀(jì)錄。”
“我們的研究證實(shí)了在一個(gè)集成系統(tǒng)中，使用廉價(jià)組件，高效并安全地從太陽能中生產(chǎn)燃料是有可能的。”路易斯說，“當(dāng)然，我們還需要繼續(xù)下工夫延長系統(tǒng)壽命并設(shè)計(jì)出低成本生產(chǎn)這種系統(tǒng)的方法，這兩項(xiàng)工作都在進(jìn)行中。”
