簡介
人工樹葉“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並發出電力。
工作原理
人工樹葉在說“人工樹葉”之前，先讓我們來了解一下自然界的樹葉是怎么工作的。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，同時產生質子和電子。事實上，地球上95%的氧氣來源於這一過程，而產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”，其核心正是模仿了樹葉的這一過程——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，同時產生質子和電子;產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，將由矽太陽能電池供給。
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，讓規模化套用成為可能。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套用。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。
研究進展
2013年，諾塞拉在美國麻省理工學院化學系從事研究工作。他曾經指出，人造樹葉的想法來自化學家早些年的想像，終有一天會發現“植物們守護著的秘密”。諾塞拉說，最重要的秘密是水分解成氫氣和氧氣的過程。在人造樹葉兩面分別產生氫氣和氧氣的薄膜中間夾著日光收集器。將人工樹葉放入陽光照射下的水中，人造樹葉周圍會產生氣泡，釋放出的氫氣能用於為燃料電池產生電力。這些能自給自足的廉價供能單位，對需要電力的偏遠地區和開發中國家很有吸引力，但迄今為止的設計都依賴像鉑那樣昂貴的金屬和高成本的製造工藝上。
為了使這些設備得到更廣泛的套用，諾塞拉將用於產生氫氣的催化劑鉑用鎳鉬鋅合金替代。在葉子的另一面，有一層用鈷做的薄膜用來產生氧氣。諾塞拉指出，所有這些材料在地球上都十分豐富，不像稀有昂貴的金屬鉑、貴金屬氧化物和已經被其他人使用過的半導體材料。
不久後，諾塞拉從麻省理工學院來到哈佛大學，便和希爾韋開始合作。他們在“個性化的能源”或製造能源本地化的理念上達成一致，認為能源本地化將在開發中國家具有吸引力。這是相對於當前的能源系統，比如石油需集中生產，然後送到加油站的製造能源方式。
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套用。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。
2015年3月，美國哈佛大學藝術與科學學院、哈佛醫學院和威斯生物工程研究所受樹葉的啟發，創造出一種利用細菌將太陽能轉化為液體燃料的“人造樹葉”系統，使用催化劑使陽光將水分解為氫氣和氧氣，設計一種細菌將二氧化碳加氫轉化為液體燃料異丙醇。該研究結果發表在美國《國家科學院學報》上。
高效儲能
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，不僅無法產生電力，那些在白天產生的電力也不能儲存。也就是說，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，將太陽能電池產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么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么做。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。通俗點說，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么明顯啊!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。
發展空間
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，它僅僅模仿了樹葉中光系統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產生的氫氣和氧氣，然後用於發電。因此，要把這一發明真正規模化套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於太陽能電池，也可以是風能、地熱能、核能，甚至化石燃料的化學能等。比如說，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。據報導，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於光合作用的方式轉化成對人類有用的有機物(如糖、醇類等)，將是多么偉大的發明啊!
