“人造树叶”将10%的太阳能转化为化学能

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美国人工光合作用联合中心(JCAP)成立于2010年，其主要目标是模拟自然界中植物的光合作用，并利用阳光、水和二氧化碳产生可按需使用的化学能。在过去的五年里，该中心的研究取得了很大的进展。他们首次使用高效、安全和集成的太阳能系统来分离水分子并生产氢燃料。新研究的系统实验证明，10%的太阳能可以转化为化学能。

这个被称为“人造叶子”的新系统由三个主要部分组成:两个电极——光电极、光电阴极和薄膜。光电阳极利用阳光氧化水分子，产生质子、电子和氧气。光阴极结合质子和电子产生氢。该系统的关键部分是塑料薄膜，它可以确保氧气和氢气的分离。如果两种气体混合并意外点燃，可能会发生爆炸。这种薄膜允许氢气在压力下被单独收集，并安全地输送到管道中。

像硅和砷化镓这样的半导体可以有效地吸收光，因此它们被广泛用于太阳能电池板。然而，这些材料在接触水时会氧化(生锈)，所以它们不能直接用于“人造叶子”系统。JCAP的研究人员在电极上添加了62.5纳米的二氧化钛涂层，这有效地防止了砷化镓制成的光电极生锈，同时允许光和电子通过。

新系统的另一个突破是使用低成本的活性催化剂生产能源。光电阳极需要催化剂来促进分离水分子的化学反应。稀有而昂贵的金属如铂可以用作有效的催化剂。然而，该小组发现在二氧化钛薄膜表面添加2纳米厚的镍可以作为一种更有效、更便宜的催化剂。

该集成系统的面积约为1平方厘米，可将10%的太阳能转化为化学能，并可储存和连续工作40小时以上。JCAP科技总监、加州理工学院化学教授纳特·刘易斯说:“这个新系统在安全性、性能和稳定性方面打破了人造树叶技术的综合记录。”

“我们的研究证实，在一个集成系统中使用廉价的组件，从太阳能中高效、安全地生产燃料是可能的。”路易斯说，“当然，我们仍然需要继续努力延长系统的寿命，并设计一种低成本生产这种系统的方法，这两项工作都在进行中。”

(编者:胡彦明)