[人造树叶,捕捉太阳光子]捕捉光子

　　不管如何提高发动机效率,如何采取节能措施,化石燃料的不可再生性,决定了它在人类能源发展历程中终究是个华丽的配角。这个配角在舞台上的表演也日渐力不从心了,全球每年需要消耗的能源为13太瓦(1太瓦=1万亿瓦),这个数字还在不断上升。
　　面对如此严峻的能源形势,科学家和普通公众不约而同地将目光投向头顶上的大火球,那可是功率达12万太瓦的能量源。理论上,只要收集1小时的太阳能,就可以满足人类全年的能源需求。
　　虽然太阳能早已成为一个我们耳熟能详的概念,但总感觉“只听楼梯响,不见人下来”,看看路灯顶上,以及概念建筑上的太阳能电池板,总觉得这种能源离我们似乎还很远。
　　
　　太阳能电池的瓶颈
　　过去的几十年里,太阳能电池的效率有了长足的发展,但居高不下的制造成本仍大大限制了其使用范围。也有科学家提出“以量取胜”的方案:将不宜居住和耕作的沙漠都铺上太阳能电池板,理论上,只要一半面积的沙漠(65万平方公里)就可以满足人类每年的能源需求。
　　且不论这个方案中的电池板由谁买单,单单是电力传输和电池日常维护都不是能轻易解决的问题,毕竟,沙漠戈壁可不像我们家的屋顶和后花园。
　　目前,太阳能电池的理论使用寿命是20年,注意,这只是理论寿命!实际运营中,还要考虑到电池面的清洁,以及恶劣天气带来的意外损伤等情况。并且,制造成本着实不便宜,以目前常用的硅太阳能电池为例,在全使用期的发电售价是同期传统电价的2倍。
　　新开发的高效率太阳能电池面板的制造费就更为昂贵了,特别是那种转化效率达41%的复合型光合电池,一块10厘米见方的电池造价高达数千美元,而电压只有0.5伏,要想得到足以供家庭使用的太阳能电池板,需要将成千上万片这样的小单元拼合起来。连发明这种电池的德国夫琅禾费太阳能研究所所长艾克韦伯都认为:“这样高的价格,真要买来安装,谁都会犹豫的。”当然,随着加工技术的发展,诸如颜料敏化型电池、有机薄膜电池等新电池的产生,其生产成本有望降低。
　　不过,即使解决了能量转化效率的问题,怎样储存能量也是个难题。电池是最常用的电能蓄积装置,而目前用途最广的蓄电池还是铅蓄电池。这类电池有着很强的“记忆效应”,反复充电和放电后,有效容量就会大大降低。当然,以锂离子电池为代表的新一代蓄电池就没有“记忆效应”的限制,不会自行放电,寿命也较长(一般为10年)。不过,缺点也是显而易见的,那就是造价过高。目前为止,还没有供住宅使用的大容量锂电池。况且,电池都是以直流电形式供电,而要驱动家用电器就必须转为交流电,转化中约有10%的能量白白损失了。
　　想大规模推广太阳能技术,光能转化效率和能量的有效储存是两个绕不开的大难题。
　　
　　人造树叶的难题
　　最终,我们还是要学习自然界捕捉太阳光的的技术。从第一个绿色生命诞生算起,这套太阳光捕捉系统已经运转了27亿年,在这个过程中不断完善,成为一个极其精巧的能量系统。它们已经做到了把光转化成电,再转化为固定状态化学能,一气呵成。
　　真实的光合作用过于精细,涉及到辅助因子不下10种,单单是各种蛋白质和辅酶的活动就需要苛刻的pH值和温度,这还是相对好实现的条件。如果在人工条件下,把这条生产线“修建”在一个叶绿体膜之外的地方,还要保证其正常工作,对人们目前的技术水平来说,几乎是一件不可能的任务。
　　专注于太阳能开发的美国加州理工学院的刘易斯教授指出,“我们希望设计出与绿叶光合作用尽可能相似的过程。”言下之意,就是要实现收集太阳光的功能,但是结构又要尽量简化。
　　对于人造树叶,首先碰到的就是两个难题,首先是怎样用太阳光产生的电能将水拆分开来,其次是如何利用得到的高能电子制造出还原剂燃料。
　　要拆解水分子并不难,中学时我们就做过实验,将电池的电极插入到硫酸溶液中,在正极收集到的就是氧气,而负极收集到的则是氢气。日本本田汽车公司的研究人员就制作了升级版的装置,利用太阳能电池产生的电力将电解槽中的水分解成氢气和氧气。考虑到太阳能电池的高昂造价,再加上昂贵的电极(铂),这个方案着实不太靠谱。反观绿叶,用的可都是碳、锰、铁、镁这些廉价的元素。
　　麻省理工学院的科学家诺塞拉(Daniel Nocera)和卡南(Matthew Kanan),在这方面已经迈出了一大步。他们把铟和锡的氧化物做成的电极放置在钴离子和磷酸钾的水溶液中,然后在溶液中通入太阳能电池的电流。白天,用通常方法获得的太阳能一部分可用于日常所需,一部分用来将水分解成氢气和氧气并将氢气储存起来。晚上,利用燃料电池,让氢气和氧气反应提供电能。这项研究最重要的意义是,大量使用的材料都是地球上供给丰富的材料,而非像铂那样的名贵金属。
　　目前的半导体太阳能电池已经崭露头角,用这些物质制造成纳米级的天线阵列足以吸收到足够的光能。接下来就是将它们通通整合到一个装置之上,也就是理想的“人工叶片”了。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。解决办法是,制造一种膜结构,将半导体天线插在上面。只让氢离子通过这层膜,同时把氧气挡在外边;在氢离子通过之后,再从贯通膜的半导体天线上获得电子,就变成了纯氢气。通过进一步的纯化和压缩,就可以得到高能量密度的燃料。
　　当然,氢气并不是唯一的产物,通过纳米技术的发展,我们甚至可以模拟叶绿体,制造出产生ATP的“生命发动机”,进而制造出更多种类的高能量有机物质。在不久的将来,从人工叶片流淌出的也许就是酒精。
　　
　　另类的氢气来源
　　现在,还有另外一群人在继续寻找并改造自然存在的光合工厂。
　　在绿色植物中,储存在碳水化合物中并不是光能产生的化学能量的唯一出口。一些种类的绿藻和蓝藻可以直接产生氢气。与藻类柴油之类的利用途径相比,直接利用氢气大大节省了分离和纯化能源的费用。
　　不过,产氢藻类的问题在于,光合作用产生的氧气和氢气是同时释放的,并且氢气的含量大多只占释放气体总量的20%左右。不过,在纯氮气或者惰性气体条件下,产氢量可以翻倍。但是,纯化氢气仍旧是一个问题。科研人员正尝试用基因改造的手段,“制造”出专门产生氢气的种类。
　　如何让这些小小的绿色植物乖乖地交出氢气,要解决的问题还有很多,不过,在这个过程中,我们可以进一步了解植物的运作过程,为改进人工树叶积累宝贵的资料。能不能用上海藻产生的氢气,我们可以拭目以待。
　　(本文作者为植物学博士)

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