這恐怕是世界上最為奇怪的樹(shù)葉了：它沒(méi)有粗細(xì)不等的葉脈，取而代之的是各種電子元件,；它也沒(méi)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�,�,；甚至于，它連普通樹(shù)葉常見(jiàn)的顏色都沒(méi)有，看上去就像一塊亮晶晶的遮光板,。
但它卻能像樹(shù)葉那樣進(jìn)行光合作用,。3月27日，美國(guó)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(yáng)光下迅速地產(chǎn)生了相當(dāng)于一個(gè)發(fā)展中國(guó)家的家庭一天的能源需求,。
諾塞拉是在第241屆美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)上發(fā)布的這項(xiàng)成果,。作為世界上最大的科技協(xié)會(huì)之一，美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)不止一次發(fā)布過(guò)關(guān)于人造葉子的成果,。這片來(lái)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(lái)它有可能成為超市貨架上的商品,。
所謂“葉子”,，只是一塊高級(jí)的太陽(yáng)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(guò)太陽(yáng)光的照射,，水被分解為氧氣和氫氣，這些氣體儲(chǔ)存起來(lái)可用于發(fā)電,。所謂的“葉子”，只是一塊高級(jí)的太陽(yáng)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(shù)葉來(lái)設(shè)計(jì)人工葉�,！� 倫敦帝國(guó)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(shuō)。他表示,，“達(dá)·芬奇曾試圖設(shè)計(jì)羽翼可以上下擺動(dòng)的飛行器,。但最終人類建造出波音747及空中客車380與鳥(niǎo)完全不同，它們甚至飛得比鳥(niǎo)更好”,。
諾塞拉研制的人造葉子就不以任何自然界中的樹(shù)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(guó)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(yáng)能源公司的創(chuàng)始人,。美國(guó)能源部下屬的能源研究計(jì)劃局2009年10月曾撥款2370萬(wàn)美元鼓勵(lì)新公司和大學(xué)研究太陽(yáng)光合能,。他所創(chuàng)建的這家公司就是5家接受政府資助開(kāi)發(fā)的公司之一,。此次的研究經(jīng)費(fèi)也是部分來(lái)源于這家公司。
不過(guò),，這片葉子并不是史無(wú)前例,。早在1998年，美國(guó)科羅拉多州國(guó)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(guó)青年報(bào)采訪時(shí)說(shuō),，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(lái)被奉為光催化概念的經(jīng)典之作。由于這一化學(xué)過(guò)程模擬了光合作用,，在自然界中承載這一作用的樹(shù)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(lái)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(kāi)玩笑說(shuō),，這種材料只有美國(guó)航天局才用得起,。
中國(guó)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(guó)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(guó)科學(xué)學(xué)會(huì)上,。這個(gè)團(tuán)隊(duì)用中國(guó)特有的植物——打碗碗花做實(shí)驗(yàn)，先找到自然葉子收獲陽(yáng)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(guó)制造”的標(biāo)簽。
遺憾的是,，這些成果都沒(méi)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(wèn)題,。
這個(gè)長(zhǎng)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(yáng)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(méi)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(lái),，人們都在尋求利用“不需要付費(fèi)”的太陽(yáng)能源,，然而捕獲并使用太陽(yáng)能卻需要耗費(fèi)很大的財(cái)力，這讓很多在太陽(yáng)能上動(dòng)腦筋的人望而卻步,。
“傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板造價(jià)并不昂貴,。”諾塞拉解釋說(shuō),，“它的大部分的開(kāi)銷都在于布線,，而人造葉子很好地解決了這一問(wèn)題�,！�
同傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板一樣,，人工葉子的基礎(chǔ)材料依然是硅，只不過(guò)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(guó)青年報(bào)采訪時(shí)解釋說(shuō)，催化劑使硅板不再像普通太陽(yáng)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(guò)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(shuō)，諾塞拉的這片葉子的光合效率大約是自然樹(shù)葉的10倍,。
目前,，諾塞拉的實(shí)驗(yàn)室并沒(méi)有發(fā)布催化劑的具體成分，這將留待以后申請(qǐng)專利。在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)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(wèn)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(kāi)發(fā)出一種可承受的,、有效的,、利用太陽(yáng)能來(lái)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(mèng)想似乎近在咫尺,�,！斑�將面臨許多嚴(yán)峻的工程�,！敝Z塞拉說(shuō),。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(chǔ)它們,，以備在沒(méi)有陽(yáng)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(yáng),。”英國(guó)能源研究中心執(zhí)行董事約翰·勞赫德非�,？春萌斯と~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(shuō),，在大規(guī)模推廣利用方面來(lái)說(shuō)，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(guó)科學(xué)研究的重點(diǎn)之一,。太陽(yáng)能制氫技術(shù)從水這個(gè)氫的大倉(cāng)庫(kù)中分解出氫,，使其作為能源應(yīng)用于人類的生產(chǎn)過(guò)程。
早在小布什當(dāng)政時(shí)期,，美國(guó)就提出要推廣氫燃料計(jì)劃,。奧巴馬政府在競(jìng)選時(shí)也將發(fā)展新能源提上了競(jìng)選綱領(lǐng),。
中國(guó)也開(kāi)始重視新能源的開(kāi)發(fā)和利用。2008年,，科技部部長(zhǎng)萬(wàn)鋼在第十七屆世界氫能大會(huì)獲得2008年度格羅夫（Grave）獎(jiǎng),，用以表彰其推動(dòng)燃料電池汽車方面的貢獻(xiàn)。積極推動(dòng)人工光合作用技術(shù)的美國(guó)能源部部長(zhǎng)朱棣文更是在去年斯坦福大學(xué)演講時(shí)表示,，中國(guó)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(lái)居上的勢(shì)頭,。
參與上海交通大學(xué)的“人工無(wú)機(jī)葉”項(xiàng)目的范同祥,、張荻也對(duì)氫能表示樂(lè)觀：“將取之不盡的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成氫能是未來(lái)的方向�,！碧寄茉磿r(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(duì)環(huán)境不會(huì)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(lè)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(shuō)：“目前人造葉子只是實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)儀器,，還沒(méi)有準(zhǔn)備好投入商業(yè)生產(chǎn)�,！北M管如此,，他依然對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的前景充滿樂(lè)觀�,！拔覀儗⒊沙掷m(xù)發(fā)展的無(wú)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(guó)家和地區(qū)�,！叭嗽鞓�(shù)葉顯示了它的巨大潛力,，它能幫助發(fā)展中國(guó)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,�,！暗�2011年年底，我們將可能在印度擁有基地,�,！敝Z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(wàn)美元來(lái)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�,！敝Z塞拉說(shuō),，“可以設(shè)想，在不久的將來(lái),，那些印度和非洲的村莊將有能力購(gòu)買(mǎi)基于這種技術(shù)的基礎(chǔ)發(fā)電系統(tǒng),。”