人工樹葉：光合作用分解水獲得安全燃料

　　據國外媒體報道，受到樹葉里發生的一個化學變化的啟發，加州理工學院的科學家們開發出一種新的導電薄膜。有了這張膜，利用陽光將水分解成氫燃料中出現的問題將迎刃而解。

　　諸如硅這類的半導體在導電的過程中很容易氧化生銹，加入氧化鎳薄膜能夠防止生銹，同時能促進陽光的分解作用，獲得更多的像甲烷或者氫這樣的燃料。

　　“我們已經開發出一種新型保護膜，它能使太陽能分解生產燃料的效率、穩定性以及效果將達到前所未有的高度，安全性也很好，不會產生易爆的氫氧混合物。”來自加州理工大學的該發明的合作者之一，喬治·阿吉羅斯教授（George L. Argyros Professor）奈特·路易斯（Nate Lewis）介紹了他們的新成果。這一研究刊登于今年3月9日上線的美國國家科學院院刊（PNAS）網絡版上，詳細描述了這種新型保護膜。

　　這張膜能讓我們創造出一個安全、高效的人工光合作用系統，俗稱太陽能燃料制造機或者“人工樹葉”。“人工樹葉”復制了自然界中植物利用陽光將水、二氧化碳轉化成氧氣和碳水化合物類燃料的過程。

　　加州理工大學人工光合作用聯合中心（JCAP）的“人工樹葉”項目包含了3個主要的組合部分：兩種電極——光陽極和光陰極以及薄膜。光陽極利用陽光氧化水分子產生氧氣、質子和電子，而光陰極利用光陽極產生的質子和電子合成氫氣。膜，通常用塑料制成，用來將這兩種氣體隔開，以防止任何可能性的爆炸。然后在一定的壓力下這些氣體會被壓入管道收集起來。

　　科學家們已經嘗試過用硅或者砷化鎵這類用在太陽能電池板上能夠吸收光的普通半導體來制作電極，然而主要問題是這些材料碰到水會容易氧化，也就是生銹。

　　之前，路易斯與其他科學家也嘗試為這些電極穿上保護膜，但由于種種原因，實驗都失敗了。“理想的保護膜需要符合很多條件，要與它所覆蓋的半導體能夠在化學上相容，不透水，能導電，透明度要高能保證透光，容易被催化產生反應，釋放氧和燃料。”路易斯，這位JCAP的科學帶頭人說，“造出符合上述任一條件的保護膜都是一項重大的飛躍，而我們現在一次性都做到了。”

　　路易斯團隊展示了他們的氧化鎳薄膜，可以用在包括硅、磷化銦、碲化鎘在內的多種半導體材料上。尤其在保護光陽極上，氧化鎳薄膜的優越性能遠遠超過了其他類似的保護膜。路易斯去年就做過一張這樣不怎么樣卻相當復雜的膜。氧化鎳膜只有一層，而這張膜有兩層，主要成分是二氧化鈦（TiO2），一種天然化合物，常見于防曬霜、牙膏和白涂料的配料中。

　　路易斯實驗室工作的一名博士后也是該研究的第一作者孫科（Ke Sun，音譯）說，“當看著光陽極能夠保持24小時，100小時甚至是500小時不發生一點降解時，我知道我們成功地完成了一項之前的科學家們總是以失敗告終的事情。”

　　路易斯團隊發明的制作氧化鎳薄膜新技術需要將粉碎的氬原子在富氧環境下放入高速轉動的鎳原子顆粒中。在這個過程中，“從氬原子中濺射下來鎳原子碎片與氧原子發生反應，生成一種鎳的氧化物，沉淀在半導體上形成了保護膜。”

　　關鍵就在于這種新型的氧化鎳薄膜能夠很好地配合另外一張重要的膜，這張膜負責將光陽極與光陰極隔開，前者釋放氫氣，后者釋放氧氣，互不干涉。

　　“沒有這張隔膜，光陽極與光陰極會因為靠得太近而放電，再遇上剛由它們自己釋放出的活潑的氧氣氫氣，這絕對是一副炸藥的好配方。”路易斯說，“有了我們的這張氧化鎳薄膜，你就能一次性造出一個沒有爆炸相對安全且持久高效的人工光合作用機器。”

　　實驗離應用始終有距離。路易斯提醒大家，人工光合作用機器投入商業市場還需要很長一段時間。這個系統的其他部分，比如光陰極還有很多地方不夠完美。

　　“我們團隊還在為完善光陰極努力著，”路易斯說，“目前要做的就是把這兩個部分都做好，給大家呈現完整的人工光合作用系統以及它的運作過程。這不太容易，但是值得慶幸的是，過去半個世紀中缺失的關鍵部分，我們現在已經有了一個。”