这是化学的最大挑战――为大家发明能把水和阳光高效地转化成既便宜又清洁的能源的人工光合作用系统。
化学的最大挑战
看看沐浴在阳光中的植物吧，我们很难一点也不嫉妒。日复一日地，它们从阳光中吸收着巨大能量，排出的尽是我们呼吸所需的氧气，一点也不令人反感。相比之下，我们的能源制造业却是代价高昂和极具破坏性的，令人无法承受：我们从地下开采煤、石油和天然气，燃烧之后产生的是使地球升温的大量二氧化碳，多得任何人都用不完。
我们不会放弃模仿植物的高明策略，那些真正的绿色勇士。“太阳在一小时内辐射到地球上的能量比人类一年使用的能量都多。” 帕萨迪纳加州理工学院的化学家内特·刘易斯(Nate Lewis)说道。我们知道如何把太阳能转化成电能，这正是太阳能电池的使命。但是，并不总是如我们所愿何时何地都能太阳高照。植物通过光合作用，把太阳能转化成能量储存起来以供将来之用，这样的能力着实令人羡慕。如果我们也能储存太阳能以供雨天之用，也能把太阳能输送到阴天更多的地方，或是直接把太阳能抽送到燃料箱里的话，那么，我们现在所面临的很大一部分能源问题就都能得到解决了。
现在，尤其是美国政府和大型能源公司都投入巨资，想方设法实现这个愿望。人工光合作用无疑是一个挑战，而且正被证明是所有挑战中最大的一个。
没人说过光合作用很容易。植物经过数百万年的进化才具有这个能力，即便是现在，植物对此也并不是特别擅长。光合作用无非就是运用太阳能把水分解成氢和氧，然后重新组合成化学能更大的分子――对于植物而言，就是借助大气中的二氧化碳生成碳水化合物。但是一般的作物仅仅在碳水化合物中储存了可得到的太阳能的百分之几。如果太阳辐射过强，植物的光合作用系统就会承受不了，而在大约半小时之后停止光合作用。促进这个光合作用过程的复杂的天然催化剂也会迅速减弱活性，因而必须不断地补充和加强。
其实，碳水化合物也不是我们所需的储存能量的最佳燃料，我们需要更纯净、更清洁、能量密度更高的。显然，氢气是一个不错的选择，它能储存很大的能量，每千克氢气储存的能量是传统汽油的2.5倍。把氢气放入燃料电池和氧气混合进行反应，就能产生所需的电能了，副产品是洁净、可饮用的水。
所有这些意味着人工光合作用并不只是对植物光合作用的简单模仿，而是要做得更好。“你要做的就是分解水，这听起来很简单。”西雅图华盛顿大学化学家丹尼尔·加米林(Daniel Gamelin)说道。而问题的关键就在于具体怎么做。首先，你必须制造一个类似于传统的太阳能电池的“天线”来吸收阳光，并利用太阳能来释放电子。接着化学要起作用了，那些电子必须在催化剂的引导下，与合适的分子进行复杂的反应从而生成我们所需的燃料。
1998年，位于科罗拉多州戈尔登的美国国家可再生能源实验室的约翰·特纳(John Turner)和他的同事奥斯卡·卡什列夫(Oscar Khaselev)一起做出了奠基性的研究工作。“有一天，我正从门厅走下来的时候看到一张关于人工光合作用的海报，就想这个我能帮上忙。”特纳说。他花费了一年时间对各种部件(包括从美国宇航局得到的火星车的太阳能电池板)进行改造后，完成了他的装置：一个只有几平方毫米的半导体芯片，与铂金催化剂一起置于装有经过稀释的电池酸液的烧杯中。在阳光照射下，氢气欢快地从芯片表面冒出来，携带了所射入阳光的整整12%的能量。
然而，这里潜伏着几个困难。氢气和氧气一起冒出来，这种混合有可能引发爆炸。大约20个小时以后，当这个装置的部件被氧化和腐蚀时，装置会突然失灵。一个更温和的人工光合作用系统则使用水而不是电池酸液。但这么做并不会降低装置的成本――每平方厘米1或2美元。特纳估计，这比人们可以承受的制造氢气的成本贵出了10倍。
特纳之后，化学家所研制的所有人工光合作用系统都受到类似问题的困扰。“这就好比一个三条腿的凳子：你做出来的系统必须高效，必须便宜，还必须强健。”加米林说。“要同时做到这三点正是困难之处，”刘易斯说，“如果你只挑其中两个标准，那我就能把系统做出来。”
新投入的研究经费旨在做到第三点，也就是研制出强健的人工光合作用系统。2010年，刘易斯受命在加利福尼亚州牵头组建一个新的人工光合作用联合中心，得到了美国能源部1.22亿美元的经费资助。同年，Sun Catalytix――基于化学家丹·诺塞拉(Dan Nocera)在麻省理工学院对人工光合作用的研究而创立的一个公司，从包括印度企业巨头塔塔集团在内的赞助商那里又募集了950万美元。数十个其他研究小组，包括特纳和加米林的研究小组，也加入了刘易斯组建的这个人工光合作用联合中心。
挑剔的家伙
第一要务是找到装置中“天线”的最佳材料。硅相对便宜和充足，而且能从太阳光线中吸收很大一部分高能量的光子，这使硅成为了传统太阳能电池的标准材料。但是它只吐出了带有1.1电子伏特能量的电子，而分解水至少需要1.23电子伏特能量，而且要启动反应实际上还需要更大的能量。
弥补这个能量差的一个办法是堆叠硅层，这颇似把电池连接成电池组，能使电压增加。Sun Catalytix公司的最新系统使用了“三层”硅，虽能奏效，成本却是太阳能电池板材料的三倍。硅也会和氧气反应产生绝缘的二氧化硅，阻止了电子到达“天线”的表面发挥应有的作用。而在硅表面包裹一层抗氧化剂又会增加成本、降低效率。特纳的基准装置使用了一大堆能从不同波长范围的太阳光中吸收能量的镓砷化物和镓铟磷化物半导体来使产生的电压加倍，但是同样也存在氧化的问题。
一个解决办法可能是使用金属氧化物半导体。鉴于其特性，金属氧化物不会再进一步氧化，这使得它们非常耐用，而且金属氧化物一般比较便宜。但是，不同金属的氧化物组合有数亿种之多，而要找到特性合适的那种金属氧化物――能吸收特定光谱的太阳光，并且释放带有符合要求能量的足够数量的电子――并不容易。“氧化物是非常挑剔的家伙。”特纳说。他的研究小组正在模拟不同氧化物的可能特性，并已确定了几个不错的候选者，尽管他们还需把氧化物合成出来。模拟结果能多好地转化成现实也还是未知数，因为模拟无法处理像便宜材料中普遍存在的晶格缺陷这样的难题。
同时，刘易斯和他的研究小组打算把他们想到的每一种氧化物合成出来然后测试它们的特性。“他正在后面的房间里合成氧化物。”特纳说。为了帮助刘易斯“披荆斩棘”，刘易斯以前的导师哈瑞·格雷(Harry Gray)招募了一批中学生来帮忙合成和测试他们自己的氧化物。他们以不同的比例合成了不同金属的氧化物，用一排LED灯照射这些氧化物，观察光照反应所生产的电压和电流。就这样，格雷的团队检测看起来符合要求的氧化物样品，确定其准确的混合成分和比例以及材料的结构。“我们得到了数百个有希望的氧化物，其中大约有20个确实看起来很不错。”格雷说。
但是找到一个好“天线”也仅仅是解决了一部分问题。在阳光照射下，“天线”产生电子和因缺少电子而带正电荷的“空穴”。如果置之不理的话，电子可能就会落入空穴中，那么将得不到任何有用的结果。为了分解水，需要在装置的一端排列4个空穴来吸引水分子中的电子，从而产生氧分子和自由质子。在另一端，天线中的两个电子和这些自由质子结合生成氢分子(见下图)。催化剂能促进这些反应过程，一方面减少使电子和质子移动所需的能量，一方面作为电子和空穴反应的场所。一般而言，需要两个不同的催化剂，一个给氢气，一个给氧气。尽可能便宜地制造出高效的催化剂是前面所说的一部分挑战之外的另一大的挑战。
特纳用来同时做这两个催化剂的铂金效果不错，但是成本几乎和黄金一样昂贵，所以“三条腿的凳子”仍旧缺一条腿。自然界有它自己的并不完美的解决之法。为了产生氢气，自然界中的植物使用氢酶，其中含有一对用来重组电子的铁原子。铁原子周围的蛋白质分子通过颠倒质子帮助这个反应进行。去年，华盛顿里奇兰德市的太平洋西北国家实验室的蒙特·荷姆(Monte Helm)和他的同事的研究表明，带有两个镍原子的类似的催化剂比自然界中的带铁原子的催化剂更高效，而镍是充足且便宜的元素，尽管还未在光合作用系统中试验过这种催化剂。更简单的化合物，如钼的硫化物，也能做到。“我不说谁有完美的氢气催化剂，但是的确有很多不错的选择。”加米林说。
生产氧气的催化剂更棘手。植物使用带有4个锰原子的蛋白质作为氧气催化剂，每个锰原子对应分解水时涉及到的空穴。但是这种蛋白质降解很快，而且不一定是最高效的，在实验室有比这更好的催化剂选择。最佳选择是非常高效的铱氧化物，但是超级昂贵。化学家正在研究基于锰和钴的替代选择，但是还没有找到完全符合要求的。
这就把我们带到了这个选择过程的棘手之处。“仅有完美的天线和完美的催化剂并不够，”刘易斯说，“装置的所有部件必须同时发挥作用。”许多催化剂只在特定的PH值范围发挥作用，所以不能简单地进行配对。像天线和催化剂的纳米结构这样挑剔的家伙能严重影响整个装置的效率。比如，加米林的研究小组目前正在尝试进行一些优化：把钴的磷酸盐作为生产氧气的催化剂铺到一个大表面积天线的释放空穴的区域之上。“这个过程有点施巫术的感觉。”刘易斯说。
自然界的光合作用通过分解水分子并重组成化学能量更高的分子结构形式来储存从阳光中吸收的能量。我们能做得更好吗？
一桶桶阳光
那么，这个巫术有多接近一个有效的咒语――即一个实际可行的人工光合作用系统呢？尽管还没有找到理想的，但是已经有一些有希望的进展了。去年，Sun Catalytix研究小组宣布了一个奏效的无线“人工树叶”，不是和特纳所做的那样在电池酸液中，而是在波士顿的查尔斯河水中。它使用了相对高效和便宜的催化剂――用镍、钼和锌的化合物作催化剂来产生氢气，用钴的硼酸盐作催化剂来吐出氧气。
但是这仍然是缺一条腿的凳子。这个装置的效能是2.5%，明显比特纳十多年前的系统要低很多，而且其部件在大约一周之后就退化了。那个由三层硅制成的天线很昂贵，据Sun Catalytix公司的首席技术官汤姆·贾维(Tom Jarvi)说，每生产一千克氢气耗费6到7美元。而目前，通过分解甲烷生产氢气的成本只需大约每千克2.5美元。
当然，公司不会透露还在酝酿中的想法，但是大致的目标是在今后十年之内研制出能以5%的效能和低于每千克3美元的成本从水中分解出氢气的系统，目标的重点是以降低效能的代价实现更低的成本。最终目标是大规模生产这种能扔到一桶脏水中而搅拌出能量来的光合作用的微粒。“你可以把你的半导体缩小到纳米尺度，然后扔到水里去，这是降低成本的最佳途径。”Sun Catalytix公司的首席执行官麦克·迪塞尔(Mike Decelle)说。这对于世界上那些没有电网、日照充足而清洁水很难得到的地区而言，也可能意味着是一场能源革命。如果只需把一桶脏水放到阳光底下，然后扔进去一些金属尘埃微粒就能得到燃料，那么煤油灯以及数百万人赖以照明和为其他必要服务提供能量的又脏又贵脾气又差的柴油发电机就要终结了。
“这肯定非常酷。”加米林这样评价Sun Catalytix公司的这个创意和它目前为止所展示的研究成果。即便如此，特纳估计任何一个实验室都至少需要花费15年才能开发出能够在市场上销售的产品。刘易斯承诺在几年之内生产出系统原型，但也承认首批产品不会便宜。除此之外，他还在预想这样的未来：系统不仅生产氢气，如果在后端多运用一点化学，还能生产一种更复杂、更易运输的燃料，比如乙醇，在乙醇的生产过程中同样也能吸收空气中的二氧化碳。
“离那样的前景还有一段路要走，”刘易斯说，“现在，像莱特兄弟一样，我们要做的就是快速失败并且不断地失败，然后在失败中前进。失败能多快地孕育成功，将决定我们能在多久以后利用太阳能生产燃料。”
资料来源New Scientist
责任编辑 彦 隐
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本文作者尼古拉·琼斯(Nicola Jones)，来自加拿大温哥华的一位作家。