這恐怕是世界上最為奇怪的樹葉了：它沒有粗細(xì)不等的葉脈，取而代之的是各種電子元件；它也沒有心形、扇形或是菱形這樣的形狀，而是像一張撲克牌那樣單薄；甚至于，它連普通樹葉常見的顏色都沒有，看上去就像一塊亮晶晶的遮光板。
但它卻能像樹葉那樣進(jìn)行光合作用。3月27日，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的丹尼爾·諾塞拉（Daniel
Nocera）博士公布了自己團(tuán)隊(duì)研發(fā)的人造葉子。在眾人的矚目下，一片人造葉子被放入3.7升水中，在陽光下迅速地產(chǎn)生了相當(dāng)于一個(gè)發(fā)展中國家的家庭一天的能源需求。
諾塞拉是在第241屆美國化學(xué)學(xué)會上發(fā)布的這項(xiàng)成果。作為世界上最大的科技協(xié)會之一，美國化學(xué)學(xué)會不止一次發(fā)布過關(guān)于人造葉子的成果。這片來自馬薩諸塞州的葉子的最大特點(diǎn)是實(shí)用性，由于所用材料價(jià)格低廉，未來它有可能成為超市貨架上的商品。
所謂“葉子”，只是一塊高級的太陽能電池
事實(shí)上，人造葉子是一個(gè)技術(shù)概念，并不專指某一片葉子。這種技術(shù)主要是模擬真實(shí)植物的光合作用原理：用人工材料制成小巧輕薄的片狀，浸泡在水中，經(jīng)過太陽光的照射，水被分解為氧氣和氫氣，這些氣體儲存起來可用于發(fā)電。所謂的“葉子”，只是一塊高級的太陽能電池。
“要做到像葉子一樣進(jìn)行光合作用，并不意味著我們完全按照樹葉來設(shè)計(jì)人工葉。” 倫敦帝國學(xué)院生物學(xué)家、“人造葉子”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人詹姆斯·巴伯（James
Barber）解釋說。他表示，“達(dá)·芬奇曾試圖設(shè)計(jì)羽翼可以上下擺動的飛行器。但最終人類建造出波音747及空中客車380與鳥完全不同，它們甚至飛得比鳥更好”。
諾塞拉研制的人造葉子就不以任何自然界中的樹葉為原型。這位化學(xué)家、能源學(xué)家一直致力于這項(xiàng)在美國被稱為“人工模擬光合作用”的研究。2007年諾塞拉因聲稱更好地理解了光合作用而受到廣泛關(guān)注。
除了麻省理工學(xué)院的教師身份，諾塞拉還是一家太陽能源公司的創(chuàng)始人。美國能源部下屬的能源研究計(jì)劃局2009年10月曾撥款2370萬美元鼓勵新公司和大學(xué)研究太陽光合能。他所創(chuàng)建的這家公司就是5家接受政府資助開發(fā)的公司之一。此次的研究經(jīng)費(fèi)也是部分來源于這家公司。
不過，這片葉子并不是史無前例。早在1998年，美國科羅拉多州國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的約翰·特納（John
Turner）博士就研制出了世界上第一片人造葉子。
這位現(xiàn)在依然將精力傾注于這一技術(shù)的科學(xué)家在接受中國青年報(bào)采訪時(shí)說，自己也并不是第一個(gè)提出這一概念的人。1972年，日本學(xué)者藤島昭和他的導(dǎo)師共同在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇論文，這篇論文后來被奉為光催化概念的經(jīng)典之作。由于這一化學(xué)過程模擬了光合作用，在自然界中承載這一作用的樹葉就此進(jìn)入科學(xué)家的視野。
20多年后，特納用砷化鎵制成的葉子來分解水，釋放的氫和氧產(chǎn)生電流。但砷化鎵素有“半導(dǎo)體貴族”之稱，諾塞拉曾開玩笑說，這種材料只有美國航天局才用得起。
中國科學(xué)家也在進(jìn)行這項(xiàng)研究。2010年，上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們將“人造葉子”的技術(shù)發(fā)布在當(dāng)年的美國科學(xué)學(xué)會上。這個(gè)團(tuán)隊(duì)用中國特有的植物——打碗碗花做實(shí)驗(yàn)，先找到自然葉子收獲陽光的結(jié)構(gòu)，再研制一種在功能上替代這種結(jié)構(gòu)的化學(xué)物，為這片葉子貼上了“中國制造”的標(biāo)簽。
遺憾的是，這些成果都沒有進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域，不是因?yàn)樵靸r(jià)太昂貴，就是因?yàn)椴环�(wěn)定易銹蝕。諾塞拉最新發(fā)布的這片葉子部分地解決了這一問題。
這個(gè)長滿絡(luò)腮胡子的男人表示：“我將一片葉子放入一瓶水中，拿著它走到陽光下，你就能看到氧氣和氫氣在冒泡。”瓶中的水并不需要是純凈的，諾塞拉用校園附近的查爾斯河水實(shí)驗(yàn)，效果并沒有衰減。
只需要每秒把MIT的游泳池水的1/3分解，就能為世界提供能源了
一直以來，人們都在尋求利用“不需要付費(fèi)”的太陽能源，然而捕獲并使用太陽能卻需要耗費(fèi)很大的財(cái)力，這讓很多在太陽能上動腦筋的人望而卻步。
“傳統(tǒng)的太陽能電池板造價(jià)并不昂貴。”諾塞拉解釋說，“它的大部分的開銷都在于布線，而人造葉子很好地解決了這一問題。”
同傳統(tǒng)太陽能電池板一樣，人工葉子的基礎(chǔ)材料依然是硅，只不過運(yùn)用的是三結(jié)非晶硅。雖然在轉(zhuǎn)換效率上不如傳統(tǒng)的晶體硅，但這種非晶硅價(jià)格低廉、耗能少，更利于推廣。同時(shí)，疊層的設(shè)計(jì)將非晶硅分子用磷酸鹽加以固定，使它們就像是捆在一架車上的幾匹馬，不但保證了分解水時(shí)所需要的能量，還使其更加具有穩(wěn)定性。
更令學(xué)界關(guān)注的是“穿”在硅外面的催化劑。清華大學(xué)材料與科學(xué)工程系的林紅在接受中國青年報(bào)采訪時(shí)解釋說，催化劑使硅板不再像普通太陽能電池那樣依靠電線工作，反應(yīng)速度和強(qiáng)度大大提高。在過去，催化劑大多采用的是錳基。
諾塞拉所采用的一種催化劑是鈷。相比于需要不斷修復(fù)和代謝的錳基，鈷有強(qiáng)大的“自組裝”能力，它能讓自己分分合合，不需要再加入額外的材料。這彌補(bǔ)了20多年前第一片“人造葉子”的先天不足。據(jù)說，諾塞拉的這片葉子的光合效率大約是自然樹葉的10倍。
目前，諾塞拉的實(shí)驗(yàn)室并沒有發(fā)布催化劑的具體成分，這將留待以后申請專利。在美國化學(xué)學(xué)會提供的新聞通稿中，只提到鎳、鈷等元素作為催化劑，不但解決了穩(wěn)定性的問題，還因?yàn)榱畠r(jià)而有了投入商業(yè)用途的可能。
這位科學(xué)家曾經(jīng)暢想，如果化學(xué)家們能夠開發(fā)出一種可承受的、有效的、利用太陽能來分解水和產(chǎn)生氫燃料的手段，那么只需要每秒把MIT的游泳池水的1/3分解，就能為世界提供能源了！
如今，這個(gè)夢想似乎近在咫尺。“還將面臨許多嚴(yán)峻的工程。”諾塞拉說。目前，人造葉子遇到的最大挑戰(zhàn)是如何捕捉氧氣和氫氣并存儲它們，以備在沒有陽光時(shí)使用。
一片葉子，成為一戶家庭的發(fā)電站
“歸根結(jié)底，我們所能得到的唯一可持續(xù)的能源形式就是太陽。”英國能源研究中心執(zhí)行董事約翰·勞赫德非常看好人工葉這一設(shè)想的前景，因?yàn)椤爸参镌缇瓦M(jìn)化出這一功能，而且我們知道，從根本上說，在大規(guī)模推廣利用方面來說，這是可行的”。
氫是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%。氫能作為人類的終極能源已成為世界各國科學(xué)研究的重點(diǎn)之一。太陽能制氫技術(shù)從水這個(gè)氫的大倉庫中分解出氫，使其作為能源應(yīng)用于人類的生產(chǎn)過程。
早在小布什當(dāng)政時(shí)期，美國就提出要推廣氫燃料計(jì)劃。奧巴馬政府在競選時(shí)也將發(fā)展新能源提上了競選綱領(lǐng)。
中國也開始重視新能源的開發(fā)和利用。2008年，科技部部長萬鋼在第十七屆世界氫能大會獲得2008年度格羅夫（Grave）獎，用以表彰其推動燃料電池汽車方面的貢獻(xiàn)。積極推動人工光合作用技術(shù)的美國能源部部長朱棣文更是在去年斯坦福大學(xué)演講時(shí)表示，中國目前在清潔能源上的投入相當(dāng)驚人，每個(gè)月投入額為90億元，大有后來居上的勢頭。
參與上海交通大學(xué)的“人工無機(jī)葉”項(xiàng)目的范同祥、張荻也對氫能表示樂觀：“將取之不盡的太陽能轉(zhuǎn)換成氫能是未來的方向。”碳能源時(shí)代消耗了大量的不可再生能源而且釋放的是二氧化碳溫室氣體，氫能的燃燒則只釋放水蒸氣，對環(huán)境不會造成影響。
在“十二五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)大力發(fā)展的七大新興產(chǎn)業(yè)中，“人造葉子”代表的“新能源、節(jié)能環(huán)保、新材料”都是重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，前景十分樂觀，但如何產(chǎn)業(yè)化還是個(gè)未知數(shù)。
特納博士接受采訪時(shí)說：“目前人造葉子只是實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)儀器，還沒有準(zhǔn)備好投入商業(yè)生產(chǎn)。”盡管如此，他依然對這項(xiàng)技術(shù)的前景充滿樂觀。“我們將朝著可持續(xù)發(fā)展的無碳、低耗的氫能產(chǎn)業(yè)和氫能經(jīng)濟(jì)邁進(jìn)。”
締造了第一片實(shí)用型人造葉子的諾塞拉更加關(guān)注它的產(chǎn)業(yè)化，并將目光投向了廣大的發(fā)展中國家和地區(qū)。“人造樹葉顯示了它的巨大潛力，它能幫助發(fā)展中國家的貧困家庭用上便宜、清潔的電能。實(shí)現(xiàn)電力的自給自足。”
諾塞拉所在的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)與印度的塔塔集團(tuán)達(dá)成了合作協(xié)議。“到2011年年底，我們將可能在印度擁有基地。”諾塞拉并不打算透露合作細(xì)節(jié)，但有媒體報(bào)道，塔塔集團(tuán)投資1500萬美元來支持這項(xiàng)研究。
“我們的目標(biāo)是讓每一個(gè)家庭擁有自己的發(fā)電站。”諾塞拉說，“可以設(shè)想，在不久的將來，那些印度和非洲的村莊將有能力購買基于這種技術(shù)的基礎(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)。”