人造树叶

拼音：rén zào shù yè

 人造树叶指的是一种人工的合成树叶，主要由玻璃晶片制成，是人造树木的一部分。“水晶叶”中排列着微小的水流管道，可使水流到达树叶进行蒸发。整个装置的驱动力——即能量的产生源自中枢茎杆。茎杆中有与电路相连的金属片，起到电容器的作用。水流经过树叶时，会与空气中的气泡定期相遇。由于水和空气的电学性能不同，因此，水流和气泡的每次邂逅都会产生些许电流。这些电流被电容器吸收，用于驱动整个装置的运行。

 树叶概述

所谓“人造树叶”，其实是一种人工的合成树叶，主要由玻璃晶片制成，是人造树木的一部分。“水晶叶” 中排列着微小的水流管道，可使水流到达树叶进行蒸发。整个装置的驱动力――即能量的产生源自中枢茎杆。茎杆中有与电路相连的金属片，起到电容器的作用。水流经过树叶时，会与空气中的气泡定期相遇。由于水和空气的电学性能不同，因此，水流和气泡的每次邂逅都会产生些许电流。这些电流被电容器吸收，用于驱动整个装置的运行。

与电池产生的电流相比，这些碰撞产生的“火花”是微不足道的。因此，科学家正在致力于提升“水晶树叶”可产生的电流量。

最终，“水晶树叶”将被“安装”在人造大树上。Michel Maharbiz称，阳光可驱动大树的“运行”，促进“水晶叶”的蒸腾作用。

他还乐观地预计，在不久的将来，美国人民的篱栅也许都将被由太阳能电池板驱动的人工大树所取代。而人工大树将也和自然森林一样，成为吸碳吐氧的环保功臣。

生动展示

在美国麻省理工学院礼堂内，坐满了科学家和美国政府部门负责能源问题的官员。讲台上，麻省理工学院化学系教授丹尼尔·罗塞拉正在通过视频展示他的最新研究成果，礼堂的灯光调得很暗，水槽内浸着一块条状材料，材料周围不断有大量气泡冒出。丹尼尔正在激动地说明：“这些气泡就是水槽中的水分解后产生的氧气，这个装置代表了我们的未来，我们已经获得了人造树叶，像真正绿色植物的树叶一样通过光合作用将太阳光中的能源充分利用，转化为我们需要的能量。”

实际上，丹尼尔教授展示的正是利用光合作用原理将水分解成氧气和氢气的化学反应装置，由于丹尼尔教授成功研发出一种催化剂，利用这种催化剂，水分解的化学反应首次可以在常温下进行，从而克服了利用水制成氢气这一重要反应中最困难的一个难题。这个成果的重要意义更在于，利用太阳能发电的主要障碍将被克服，太阳能可能取代石油成为最主要的能源。

在丹尼尔的研究中，太阳光照射下，水分解成氢气，而氢气是一种用途多样容易储存的燃料，可以密封在内燃机内，也可以与燃料电池中的氧气重新结合，更重要的是，如果该设想用在海水中，太阳能不仅能分解海水产生电能，更能使得分解后的氢气与氧气重新结合而形成宝贵的淡水。

模拟光合作用储存太阳能的技术早在上世纪70年代初就进入了科学家的视线。几十年来，研究人员一直在尝试复制绿色植物分解水的方式。利用化学方式，科学家早已能够完成水的分解反应，但这些化学反应条件非常苛刻，温度很高，溶液具有腐蚀性很强的碱性，而且催化剂需要用到铂等稀有而昂贵的化合物。丹尼尔的设计就像光合作用一样，分解水的反应在室温下就可进行，溶液也没有腐蚀性，更重要的是催化剂非常便宜，可以很容易地得到氢气和氧气。

丹尼尔认为可以从两个方面利用他的这个研究突破。一种是，利用传统的太阳能板捕获太阳能发电，利用这些电能将电解槽中的水分解，这些电解槽中放有丹尼尔研制的催化剂。另一种是，设计一个系统，这个系统完全模拟树叶的结构，将催化剂与特制的染料分子间隔着紧密排列，燃料吸收太阳光捕获能量，这些能量帮助催化剂启动水的分解反应。无论哪种设计，当水分解成氢气后，太阳能就储存到氢气燃料中了，这样无论夜间还是阴雨天，储存的氢气可以代替太阳光为我们发电。

全新特点

像树叶一样“零排放”

光伏产业作为新能源领域的生力军，已成为江苏增长最快的高新技术产业之一。但是，作为清洁能源代表的硅太阳能电池，产业链上游的硅原料生产却是高能耗和高污染产业。为此，科学家已着手研制用更多新材料制备太阳能电池。

南京工业大学教授冯晓东向记者介绍，其中一种新型太阳能电池，使用了廉价的性能很好的纳米二氧化钛为电池的负极，然后在纳米二氧化钛上吸附一层对太阳光敏感的有机染料，所以叫染料敏化太阳能电池。它制作的原材料简单易得，工艺并不复杂，功能如同于一片树叶，所以被形象地称为“人造树叶”。

和树叶相比较，染料敏化太阳能电池中所使用的染料，就如同树叶中的叶绿素，在太阳光的照射下，会产生电子，纳米二氧化钛电极则是集结电子的收集器。这种电池只要在光照下，就会源源不断地产生电子，将光能直接转化为太阳能，而且不会排放任何废物。

薄如蝉翼，可随意弯曲

据悉，由于二氧化钛具有较好的可见光透过率，所以这种“人造树叶”几乎是透明的，薄如蝉翼而且可以随意弯曲，随着材料和器件结构的不断改进，这种神奇“树叶”的商业化前景非常乐观。

专家介绍，这种透明的“树叶”如果做成大面积的，有可能代替玻璃，只要接收光照，就可以为室内小型电器提供动力，也可以为室外广告牌提供电力。在高原沙漠地带，只要在车顶上架个装有“人造树叶”的大篷，就可以为小型汽车提供动力，人们长途旅行时就不用担心汽车缺少燃油，还免除了旅行中额外的辎重。

此外，这种可弯曲并且透明的电池不但收放自如，还能层叠起来，提高太阳光的利用率，在航天方面将是宇宙飞船或者卫星动力的新宠。

产生原理

模拟植物光合作用

绿色植物的光合作用原理，就是利用叶绿素捕获太阳能，然后利用太阳能启动一系列复杂的化学反应，通过这些化学反应将水和二氧化碳转化成淀粉和多糖等能量丰富的碳水化合物。研究人员模拟光合作用的研究重点主要集中在光合作用的第一步，即蛋白质和无机催化剂如何共同作用，帮助植物中的水分高效分解成氧离子和氢离子。

早在上世纪70年代初，日本东京大学一位研究生最先证明，利用二氧化钛(白色涂料的组分)制作的电极，500瓦氙灯产生的强光能够将水慢慢分解，这一发现首次证明光能够被用来分解植物外的水分。1974年，美国北卡罗来纳大学化学系教授汤姆斯·梅尔证明，钌金属涂料能够在光能作用下发生化学变化，使水失去电子，帮助完成水分解反应最开始的重要一步。

虽然这两种技术最终证明没有实用性，二氧化钛不能吸收足够量的太阳光，梅尔实验中的钌涂料在光作用下的化学形态存续时间太短，只是瞬间态，但是两项科研成果激发了科学家们的想象力，众多科学家开始了模拟光合作用的研究。

几十年来，科学家们已经通过研究弄明白了植物吸收太阳光和储存能量所需要的特殊结构和物质，但是反应所涉及的详细机理还没有弄清楚，直到2004年，英国伦敦皇家学院的研究人员才证明，植物光合作用中水中氧分子得以分离的关键在于一组特殊结构的蛋白质和金属，催化剂的核心组分是蛋白质、氧原子、镁离子和钙离子以特殊方式结合后形成的。

丹尼尔从1984年开始就一直从事光合作用背后的化学反应研究。刚开始，他连“如何从水中分离氧”这一最重要的问题都无法解决，于是开始改变思路，通过逆向思维，研究如何将氧离子与电子结合合成水，结果发现，某些含钴的化合物是这类反应比较好的催化剂，当他反过来重新研究水分解反应的时候，选择了同样的钴化合物作为催化剂。

钴化合物在水中很容易溶解后将钴分离，所以无法对这些钴化合物的催化作用进行研究，丹尼尔于是大胆选用磷酸钴代替那些复杂的钴化合物，直接验证钴对水分解反应的作用。将电极浸在含有磷酸钴的水溶液中，当通上电流后，钴离子和磷酸根离子会聚集在电极上并形成一层非常薄的薄膜，几分钟后电极上就会形成一层浓厚的气泡，进一步的试验证明，这些气泡就是水分解后产生的氧气。丹尼尔和他的同事们没有想到，磷酸钴这么简单的化合物能够取代植物光合作用中的复杂化合物，催化水的分解反应。

而这个简单的催化剂正是科学家们需要的，有了它，就能够在光合作用一样的室温条件下将水分解成氧气和氢气了。丹尼尔接下来准备继续研究其他金属的催化作用，并且利用这些金属催化剂设计出分解水的电池。

研究进展

专家正着手提高其转化效率

冯晓东介绍，和其他类型的太阳能电池相比较，染料敏化太阳能电池能量转换效率虽然不是最高的，但是它制备工艺简单，成本低廉，能达到很高的性价比，成本只有硅电池的五分之一到十分之一，所以目前国内外都有科学家在进行相关研制，但普遍存在的问题是光电转化率较低。“太阳能的光谱很宽，但现在染料‘捕光’的能力比较弱，只能吸收太阳能中的可见光，大量的红外光等不能被吸收，这是很大的浪费。”

据悉，东南大学和南京工业大学等高校专家们正着手这种新型太阳能电池的研究。南京工业大学材料科学与工程学院在化工领域有着得天独厚的优势，凭借这种优势，专家正在寻找效率更高的有机染料，使不同波长的阳光都能被“染料”抓住，进一步提高其光电转化效率。

科研意义

丹尼尔的研究一经公布，立即引来一些人的质疑，这些质疑主要集中在，丹尼尔的研究成果不能保证规模化运作，即无法实现实际运用。

首先，对于设计电池的运用，一般情况下，电流越大，催化剂使水分解成氧气的速度越快，目前丹尼尔的电极所产生的电流每平方厘米只有1毫安，而商业化运作目标的电极通常需要每平方厘米1000毫安的电流，这个差距相当大。

另外对于储存太阳能，丹尼尔的原理需要将太阳能转化成电能，再转化成化学能，然后再转化成电能，这些步骤会浪费掉太多的能量，影响太阳能的转换效率。相关人士表示，现在需要做的是改进电池技术或电能储存技术，而不是设计水分解器和燃料电池，电解槽效率太低，丹尼尔的研究没有超越。

纵然有诸多质疑，丹尼尔的研究更多的是得到同行的肯定。相关专家认为，丹尼尔的设计可以真正模拟树叶的光合作用原理，是“人造树叶”。作为催化剂的涂料本身像一根分子电线，当阳光照射时，涂料电极能够产生电压，分子电线能够导电，被涂料吸收的太阳光能够驱动水分解的反应。人造树叶比单独使用太阳能板和电极来得更加便宜，能量转化效率也更高。

另外一个重要意义在于，丹尼尔的催化剂可以用来分解海水。初步试验证明，这些催化剂在盐水中仍然保持催化活性，这样的话，丹尼尔的实验成果不但能够解决能源危机，还能帮助解决全世界淡水严重短缺的问题。