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人工树叶——把太阳能装进汽车油箱

发布时间:2015-09-06

张玲霞 

  能源是人类社会赖以生存的物质基础,是经济和社会发展的重要资源。现在大家的能源主要取自化石能源——煤、石油和天然气。化石能源是地球上的植物在过去25亿年光合作用积累的结果。现今,全世界每年需要能耗的能源相当于地球五十万年光合作用积累的化石能源。地球妈妈为人类储存的能源宝库即将消耗殆尽,几十年后大家该怎样面对更大的能源需求呢? 

  太阳滋养着地球上生机勃勃的万物。太阳光,取之不尽,用之不竭,蕴含巨大能量,具有独特的优势和巨大的利用空间。地球上每小时接收到的太阳能就足够全世界一年的能源消耗需求,如果能充分利用太阳能将能够解决地球和人类面临的能源与生存危机。光合作用是地球上最重要、规模最大的化学反应,光合作用是自然界光能转换为化学能的典范。 

  向大自然学习,科学家发现利用半导体光催化剂,可以模拟自然界的光合作用,吸取和利用太阳光,将二氧化碳和水转化为氢气、甲醇、甲烷、CO(煤气的主要成分)等化学燃料。科学家把这个过程叫做人工光合成,由此获得的化学品叫做太阳能燃料,所用的催化剂被形象地成为人工树叶。与地球几十万年才能将植物转化为化石燃料的漫长过程相比,人工光合成太阳能燃料的过程可真是快多了! 

  

  (图片来自http://revoseek.com/technology/cheap-plus-efficient-artificial-leaf-an-alternative-energy-landmark/ 

   太阳能燃料将在未来彻底改变人类社会的能源结构和化学合成体系。利用太阳能燃料可以发电、给汽车和电池提供燃料,还可以为绿色环保的化学合成、精细化学品的合成、制药、化肥合成等提供重要的原料。可以说,现在化石燃料能够做到的事情,太阳能燃料统统能够胜任,而且更环保(以氢气或甲醇为燃料的汽车,排放的尾气中只有水),最重要的是太阳能燃料可以源源不断地再生。     

   

  (原图来自Peidong Yang et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3259. 编辑做了修改 

  在科学家眼里,人工光合成太阳能燃料是“化学圣杯”,是改变未来世界的美丽梦想。智慧与固执的科研工编辑已经努力研究了三十多年,将太阳能转化为电能的太阳能电池已经研制成功,并开始大规模投入生产和应用。但是,将太阳能转化为化学燃料的“人工树叶”,转化效率还没有达到实用化的水平。2014年,日本东芝企业试制了模仿植物光合作用的“人工光合作用”系统,可利用水、二氧化碳和太阳能制造有机物。利用入射光能量除以生成的一氧化碳的能量,所得的转换效率达到了1.5%,该数值可媲美植物中效率较高的藻类的光合作用(在养殖环境下培育的小球藻的能量转换效率约为2%),取得了显著进展。 

   

  (图片来自http://china.nikkeibp.com.cn/news/nano/73318-201501161412.html 

  经过科学家的不懈努力,相信在不久的将来,这座“化学圣杯”将为大家美丽的星球带来革命性的改变!     

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