人工葉探索之新進展

編譯 陸默

在最新出版的《馴化太陽》一書中，物理學家瓦倫·西瓦拉姆講述了兩位科學家開發(fā)人工葉的夢想和具體設(shè)想，這兩位科學家決心要找到一種從稀薄空氣中提取燃料的途徑，以作為解決未來能源問題的有效方案之一。

自20世紀70年代初以來，科學家一直致力于開發(fā)一種模擬天然綠葉光合作用的技術(shù)。光合作用是植物利用陽光產(chǎn)生碳水化合物和儲存能量的過程，而“人工葉”（Artificial leaf）則是要創(chuàng)建一個與之相類似的人工系統(tǒng)，更有效地利用二氧化碳、水和陽光來制造液體燃料。

商業(yè)上可行的人工葉方案可以解決清潔能源開發(fā)中最棘手的幾大挑戰(zhàn)。人工葉如果能夠開發(fā)成功，將創(chuàng)建直接和廉價儲存太陽能的方式，產(chǎn)生的碳中性燃料可從根本上改變交通運輸?shù)沫h(huán)境污染問題。

近年來，科學家已經(jīng)在人工葉開發(fā)過程中取得緩慢但相當可觀的兩大進展：開發(fā)出利用太陽能將水分解為氧氣和氫氣的催化劑，將氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化為能量密集型燃料的其他一些催化劑。接下來要做的就是將這些成果綜合起來，利用這些廉價而豐富的材料。

物理學家瓦倫·西瓦拉姆（Varun Sivaram）在他的新書《馴化太陽》（Taming the Sun）一書中，探討了人工葉開發(fā)的最新進展，介紹了開發(fā)人工葉商業(yè)化應(yīng)用方案最有競爭力的兩位科學家：他們是加州理工學院的納森·劉易斯（Nathan Lewis）和哈佛大學的丹尼爾·諾塞拉（Daniel Nocera）。

模仿植物光合作用開發(fā)氫能源

加州理工學院的教授劉易斯能將復雜的概念濃縮成令人難忘的簡短話語，將他的各種研究成果編織成引人入勝的故事。劉易斯?jié)M頭的灰白頭發(fā)表明，為實現(xiàn)人造葉的理想，他已為科學奉獻了幾十年的時間。太陽能的缺點是陰天或晚上不能發(fā)電，因此，我們迫切需要開發(fā)能夠儲存太陽能以備需要時使用的技術(shù)。他的首選方案是一種綜合型的太陽能燃料發(fā)電機，它吸收水和陽光，噴出氣態(tài)的氫和氧，然后氫氣可以用來驅(qū)動車輛，為電網(wǎng)提供電力，或者作為原料來生產(chǎn)更復雜的燃料，比如汽油。

劉易斯同時也是美國聯(lián)邦政府資助的人工光合作用聯(lián)合中心的首席研究員，他希望他的人造葉能比自然界中最好的植物做得更好。盡管植物成功將陽光轉(zhuǎn)換為滿足生存和繁殖所需要的能量，但轉(zhuǎn)換效率最高的植物也只能將所吸收陽光的1%轉(zhuǎn)化為儲存的能量。

盡管如此，植物還是為我們提供了將陽光轉(zhuǎn)化為燃料的最佳范例。在光合作用的初期，植物將水分解為氫和氧，氧氣進入大氣，而氫氣則加入隨后的化學反應(yīng)。植物分解水的這種方式很有啟發(fā)意義：第一，它們把分解水的化學反應(yīng)分為兩部分，即產(chǎn)生氫和氧的“半反應(yīng)”，自然界的這種精妙設(shè)計可防止氫氣在氧氣存在的情況下自燃；第二，植物含有某種催化劑：可加速半反應(yīng)的分子；第三，植物用一層膜將氫和氧的半反應(yīng)分離開來，這層膜還能讓帶電離子通過，這對于保持電荷平衡很重要。

開發(fā)太陽能燃料發(fā)電機的研究人員需要組裝一組模擬植物光合作用的組件，將兩個稱為“光電極”的材料浸入水中，吸收光能來完成分解水的兩個半反應(yīng)，通過兩個催化劑加速兩個半反應(yīng)，并用一層膜阻止這個被稱為“光電化學電池”的整個裝置（PEC）發(fā)生爆炸。

但與植物光合作用的相似到此為止。正如劉易斯常說的那樣，人類從有羽毛的鳥類身上獲得靈感之后，拋棄了羽毛，發(fā)明了飛機。與植物不同的是，未來的太陽能燃料發(fā)電機不會使用相互競爭的兩個綠色光電電極來吸收太陽光譜中的相同部分，相反，陽極將利用光譜中的藍色光線從水中產(chǎn)生氧，負極將吸收光譜中的紅色光線產(chǎn)生氫。

生產(chǎn)用得起的能源需要極其廉價和豐富的材料，但“光電化學電池”必須要做到的還不止這些。它不僅要便宜，而且還要安全、可靠、高效。遺憾的是，到目前為止，研究人員只能開發(fā)出最多達到其中三個要求的設(shè)備。

先說安全，為防止氫和氧結(jié)合在一起發(fā)生爆炸，PEC需要一層膜將兩個半反應(yīng)分隔開來。但是從水中產(chǎn)生氧氣的半反應(yīng)也會使水酸化，而產(chǎn)生氫的半反應(yīng)則會使附近的水變成堿性?？茖W家必須找到在酸性或堿性介質(zhì)中不會溶解或腐蝕的光電極材料和催化劑，由此排除了許多無法滿足這些條件的廉價材料。因此，用廉價材料制作并配有一層安全膜的太陽能燃料發(fā)電機可能無法通過穩(wěn)健測試。

其次，要考慮這個裝置將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能進行儲存的效率，這種效率取決于光電極吸收太陽光的能力和兩個半反應(yīng)的速度。如果光電極和催化劑質(zhì)量過關(guān)，太陽能燃料發(fā)電機在理論上可以達到30%以上的效率。昂貴的半導體材料有很多選擇，但便宜的化合物材料卻十分有限。同樣，鉑等貴金屬催化劑在加速反應(yīng)方面非常出色，但它們非常稀有且昂貴。劉易斯領(lǐng)導的跨學科研究團隊投入了巨大的計算機能力，以尋找能夠滿足所有以上標準的材料，他們利用計算機對數(shù)千種化合物進行了模擬測試，并在實驗室中對其中最有希望的候選材料進行了測試。

科學直覺在研究過程中也起到了重要的作用，就像有點好運氣一樣。兩個例子如下：首先，劉易斯和他的合作者從石油精煉廠使用的催化劑中獲得靈感，這些催化劑用于從石油產(chǎn)品中除硫；這些催化劑很便宜，在加速產(chǎn)生氫氣的半反應(yīng)方面非常有效。但遺憾的是，研究人員還需要繼續(xù)尋找用于氧氣半反應(yīng)的廉價有效催化劑。其次，劉易斯實驗室的研究人員偶然將樣品涂上一層薄薄的二氧化鈦時，獲得了驚奇的結(jié)果。二氧化鈦是防曬產(chǎn)品的關(guān)鍵成分之一，它通過阻擋陽光紫外線來保護皮膚。然而這一次，這種超薄涂層起到了完全不同的作用，它保護了光電電極和催化劑，使其不會受到堿性溶液的侵蝕。

從石油行業(yè)獲得的靈感和防曬產(chǎn)品成分的意外發(fā)現(xiàn)，讓劉易斯和加州理工學院的同事取得了突破性的進展。2015年，他們宣布開發(fā)了集成太陽能燃料發(fā)電機，能使太陽光轉(zhuǎn)化為氫燃料的效率超過10%。效率本身并不算什么大的進展，其他太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可以達到22%。但是加州理工學院的設(shè)備使用的是地球上極為豐富的廉價催化劑，它能夠連續(xù)兩天運轉(zhuǎn)抽取氫氣。

如果這種技術(shù)能帶來商業(yè)化的產(chǎn)品，該產(chǎn)品不太可能像從中獲得靈感的葉子。劉易斯的設(shè)想是像防水布的裝置，在大的空間里展開來吸收陽光，然后用出液管收集產(chǎn)生的氫氣。

駕馭自然將陽光直接轉(zhuǎn)化為能源

與劉易斯一樣，美國的另一位著名科學家也在尋求將人造葉子商業(yè)化的途徑，但他們兩位實現(xiàn)人造葉子商業(yè)化的方法卻截然不同。劉易斯的研究專注于從陽光中生產(chǎn)氫，而諾塞拉的目標是要躍過制氫這一過程，開發(fā)利用太陽光直接生產(chǎn)含碳燃料的裝置，這樣的燃料可以直接取代如今的化石燃料。

諾塞拉也一度將關(guān)注點集中在如何產(chǎn)生氫上，而在2011年時，他將看起來像一枚黑色郵票的東西投入一杯水中，杯中的水開始冒泡，分別產(chǎn)生了氫和氧，從而引起了科學界的關(guān)注。盡管這是一個很簡單的實驗演示，卻是諾塞拉30年人工葉研究的結(jié)晶，可以一直追溯到他在加州理工學院讀研究生的日子。在取得突破之后，諾塞拉開始著手將他的新技術(shù)推向市場。

遺憾的是，他很快就學到了幾乎每個硅谷清潔能源創(chuàng)業(yè)公司曾學到的教訓：真正的困難是在令人興奮的實驗室發(fā)現(xiàn)之后。他后來哀嘆道，“我做了一個科學的圣杯，它太棒了！但這并不意味著我做了一個技術(shù)的圣杯，而這正是科學家和教授不擅長的?！彼某鮿?chuàng)公司太陽催化劑公司最終放棄了太陽能燃料的研究，轉(zhuǎn)而開發(fā)為電網(wǎng)儲存能量的太陽能電池。

但這段令他失望的經(jīng)歷并沒能阻止他繼續(xù)尋找人工葉圣杯，如今諾塞拉正在追求一個更大的目標，利用陽光、水和二氧化碳來生產(chǎn)碳基液體燃料。這種技術(shù)的潛在好處極為誘人，液體燃料已擁有龐大的全球基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，包括存儲設(shè)施、跨洲輸油管道和運送石油的超級油船，更不用說遍布全球的加油站。能夠?qū)㈥柟廪D(zhuǎn)化為燃料的裝置可以利用所有這些基礎(chǔ)設(shè)施。

劉易斯堅持認為，最具前景的從陽光中制造碳基燃料的途徑包括了太陽能制氫作為中介，只要能夠產(chǎn)生氫，人們就可以利用成熟的工業(yè)過程將氫和二氧化碳（從工廠和化石燃料發(fā)電廠捕獲得到）結(jié)合起來，生產(chǎn)出一系列碳氫化合物燃料。“太陽能精煉廠”可以生產(chǎn)現(xiàn)代煉油廠同樣規(guī)模的碳氫化合物燃料，用作運輸業(yè)燃料或轉(zhuǎn)化為從塑料到藥品的一系列產(chǎn)品。

諾塞拉想要做的事情更難。他想繞過氫這一中間產(chǎn)物，利用陽光、水和二氧化碳直接生產(chǎn)含碳燃料，如果這一設(shè)想能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高效益和大規(guī)模，將成為在通用燃料中儲存太陽光最有效、最單一的方法。

從科學的角度來看，這項任務(wù)幾乎不可能完成，僅僅將水分解成氫和氧就已經(jīng)夠難了，而要創(chuàng)造出最簡單的碳氫化合物則要復雜得多，需要發(fā)現(xiàn)更多的新材料來吸收光和催化化學反應(yīng)。因此，開發(fā)從太陽能直接制造碳基燃料的商業(yè)技術(shù)比制造氫更難，實現(xiàn)的可能性也更遙遠。

然而，在過去3年中，諾塞拉已經(jīng)取得了一系列看似不太可能的突破。首先是概念上的轉(zhuǎn)變：為什么一定要用人造設(shè)備來超越自然界的光合作用呢？為什么不能直接利用和駕馭自然呢？諾塞拉知道，大自然的光合作用利用了復雜的酶為催化劑，將陽光轉(zhuǎn)化為復雜的糖類。他由此想到，基因改造的細菌在擁有了強大的酶后，也能表現(xiàn)出類似的行為。

因此，在2015年，諾塞拉創(chuàng)建了一種混合裝置，首先用無機催化劑分離水產(chǎn)生氫，就像其他人工葉技術(shù)一樣，然后，這同一個裝置將氫和純二氧化碳一起進入細菌，產(chǎn)生液體燃料。雖然這些細菌在將二氧化碳和氫轉(zhuǎn)化為多種燃料方面做得非常出色，但可惜的是，它們與無機催化劑不能相容，后者產(chǎn)生的活性氧會破壞細菌的DNA。

2016年，諾塞拉和他的同事在《科學》雜志上發(fā)表論文，宣布成功合成了一種由鈷磷合金制成的新催化劑，這種催化劑不僅不會傷害到細菌，而且還能模仿天然催化劑在溶液中自行修復的能力。找到了與細菌相容的催化劑，諾塞拉的設(shè)備在將陽光轉(zhuǎn)化為醇類燃料方面能夠達到10%的效率。諾塞拉報告說，這些細菌應(yīng)該還能生產(chǎn)其他幾種含碳分子，擁有多種應(yīng)用前景，包括為汽車提供燃料、為塑料生產(chǎn)提供原料等。2017年諾塞拉演示證明，催化劑加細菌的方案可以通過在大氣中固氮產(chǎn)生氨。這是一個令人激動的發(fā)現(xiàn)，因為現(xiàn)在全球超過1%的能源用于生產(chǎn)氨，從而為農(nóng)作物施肥和養(yǎng)活全世界。諾塞拉的原型設(shè)備表明，未來有一天，我們可以利用陽光代替化石燃料來做這一切。

目前還無法確定，諾塞拉利用活的有機體的方案是不是一個好主意。事實上，細菌是非常挑剔的，對周圍環(huán)境的酸度和溫度都很敏感，因此具體方案的設(shè)計會很難。就目前來說，利用陽光制氫設(shè)備的發(fā)展速度比直接生產(chǎn)碳基燃料要快。但是，通過將現(xiàn)代材料與大自然神奇魔法的結(jié)合，研究人員有可能跳過制氫這一環(huán)節(jié)，開發(fā)出一種能完全替代化石燃料的清潔能源。

本文作者瓦倫·西瓦拉姆（Varun Sivaram）是美國外交關(guān)系協(xié)會能源安全專家。