在最新出版的《驯化太阳》一书中，物理学家瓦伦·西瓦拉姆讲述了两位科学家开发人工叶的梦想和具体设想，这两位科学家决心要找到一种从稀薄空气中提取燃料的途径，以作为解决未来能源问题的有效方案之一。
自20世纪70年代初以来，科学家一直致力于开发一种模拟天然绿叶光合作用的技术。光合作用是植物利用阳光产生碳水化合物和储存能量的过程，而“人工叶”（Artificialleaf）则是要创建一个与之相类似的人工系统，更有效地利用二氧化碳、水和阳光来制造液体燃料。
商业上可行的人工叶方案可以解决清洁能源开发中最棘手的几大挑战。人工叶如果能够开发成功，将创建直接和廉价储存太阳能的方式，产生的碳中性燃料可从根本上改变交通运输的环境污染问题。
近年来，科学家已经在人工叶开发过程中取得缓慢但相当可观的两大进展：开发出利用太阳能将水分解为氧气和氢气的催化剂，将氢和二氧化碳转化为能量密集型燃料的其他一些催化剂。接下来要做的就是将这些成果综合起来，利用这些廉价而丰富的材料。
物理学家瓦伦·西瓦拉姆（VarunSivaram）在他的新书《驯化太阳》（TamingtheSun）一书中，探讨了人工叶开发的最新进展，介绍了开发人工叶商业化应用方案最有竞争力的两位科学家：他们是加州理工学院的纳森·刘易斯（NathanLewis）和哈佛大学的丹尼尔·诺塞拉（DanielNocera）。
模仿植物光合作用开发氢能源
加州理工学院的教授刘易斯能将复杂的概念浓缩成令人难忘的简短话语，将他的各种研究成果编织成引人入胜的故事。刘易斯满头的灰白头发表明，为实现人造叶的理想，他已为科学奉献了几十年的时间。太阳能的缺点是阴天或晚上不能发电，因此，我们迫切需要开发能够储存太阳能以备需要时使用的技术。他的首选方案是一种综合型的太阳能燃料发电机，它吸收水和阳光，喷出气态的氢和氧，然后氢气可以用来驱动车辆，为电网提供电力，或者作为原料来生产更复杂的燃料，比如汽油。
刘易斯同时也是美国联邦政府资助的人工光合作用联合中心的首席研究员，他希望他的人造叶能比自然界中最好的植物做得更好。尽管植物成功将阳光转换为满足生存和繁殖所需要的能量，但转换效率最高的植物也只能将所吸收阳光的1%转化为储存的能量。
尽管如此，植物还是为我们提供了将阳光转化为燃料的最佳范例。在光合作用的初期，植物将水分解为氢和氧，氧气进入大气，而氢气则加入随后的化学反应。植物分解水的这种方式很有启发意义：第一，它们把分解水的化学反应分为两部分，即产生氢和氧的“半反应”，自然界的这种精妙设计可防止氢气在氧气存在的情况下自燃；第二，植物含有某种催化剂：可加速半反应的分子；第三，植物用一层膜将氢和氧的半反应分离开来，这层膜还能让带电离子通过，这对于保持电荷平衡很重要。
开发太阳能燃料发电机的研究人员需要组装一组模拟植物光合作用的组件，将两个称为“光电极”的材料浸入水中，吸收光能来完成分解水的两个半反应，通过两个催化剂加速两个半反应，并用一层膜阻止这个被称为“光电化学电池”的整个装置（PEC）发生爆炸。
但与植物光合作用的相似到此为止。正如刘易斯常说的那样，人类从有羽毛的鸟类身上获得灵感之后，抛弃了羽毛，发明了飞机。与植物不同的是，未来的太阳能燃料发电机不会使用相互竞争的两个绿色光电电极来吸收太阳光谱中的相同部分，相反，阳极将利用光谱中的蓝色光线从水中产生氧，负极将吸收光谱中的红色光线产生氢。
生产用得起的能源需要极其廉价和丰富的材料，但“光电化学电池”必须要做到的还不止这些。它不仅要便宜，而且还要安全、可靠、高效。遗憾的是，到目前为止，研究人员只能开发出最多达到其中三个要求的设备。
先说安全，为防止氢和氧结合在一起发生爆炸，PEC需要一层膜将两个半反应分隔开来。但是从水中产生氧气的半反应也会使水酸化，而产生氢的半反应则会使附近的水变成碱性。科学家必须找到在酸性或碱性介质中不会溶解或腐蚀的光电极材料和催化剂，由此排除了许多无法满足这些条件的廉价材料。因此，用廉价材料制作并配有一层安全膜的太阳能燃料发电机可能无法通过稳健测试。
其次，要考虑这个装置将太阳能转化为氢能进行储存的效率，这种效率取决于光电极吸收太阳光的能力和两个半反应的速度。如果光电极和催化剂质量过关，太阳能燃料发电机在理论上可以达到30%以上的效率。昂贵的半导体材料有很多选择，但便宜的化合物材料却十分有限。同样，铂等贵金属催化剂在加速反应方面非常出色，但它们非常稀有且昂贵。刘易斯领导的跨学科研究团队投入了巨大的计算机能力，以寻找能够满足所有以上标准的材料，他们利用计算机对数千种化合物进行了模拟测试，并在实验室中对其中最有希望的候选材料进行了测试。
科学直觉在研究过程中也起到了重要的作用，就像有点好运气一样。两个例子如下：首先，刘易斯和他的合作者从石油精炼厂使用的催化剂中获得灵感，这些催化剂用于从石油产品中除硫；这些催化剂很便宜，在加速产生氢气的半反应方面非常有效。但遗憾的是，研究人员还需要继续寻找用于氧气半反应的廉价有效催化剂。其次，刘易斯实验室的研究人员偶然将样品涂上一层薄薄的二氧化钛时，获得了惊奇的结果。二氧化钛是防晒产品的关键成分之一，它通过阻挡阳光紫外线来保护皮肤。然而这一次，这种超薄涂层起到了完全不同的作用，它保护了光电电极和催化剂，使其不会受到碱性溶液的侵蚀。
从石油行业获得的灵感和防晒产品成分的意外发现，让刘易斯和加州理工学院的同事取得了突破性的进展。2015年，他们宣布开发了集成太阳能燃料发电机，能使太阳光转化为氢燃料的效率超过10%。效率本身并不算什么大的进展，其他太阳能电池的光电转换效率可以达到22%。但是加州理工学院的设备使用的是地球上极为丰富的廉价催化剂，它能够连续两天运转抽取氢气。
如果这种技术能带来商业化的产品，该产品不太可能像从中获得灵感的叶子。刘易斯的设想是像防水布的装置，在大的空间里展开来吸收阳光，然后用出液管收集产生的氢气。
驾驭自然将阳光直接转化为能源
与刘易斯一样，美国的另一位著名科学家也在寻求将人造叶子商业化的途径，但他们两位实现人造叶子商业化的方法却截然不同。刘易斯的研究专注于从阳光中生产氢，而诺塞拉的目标是要跃过制氢这一过程，开发利用太阳光直接生产含碳燃料的装置，这样的燃料可以直接取代如今的化石燃料。
诺塞拉也一度将关注点集中在如何产生氢上，而在2011年时，他将看起来像一枚黑色邮票的东西投入一杯水中，杯中的水开始冒泡，分别产生了氢和氧，从而引起了科学界的关注。尽管这是一个很简单的实验演示，却是诺塞拉30年人工叶研究的结晶，可以一直追溯到他在加州理工学院读研究生的日子。在取得突破之后，诺塞拉开始着手将他的新技术推向市场。
遗憾的是，他很快就学到了几乎每个硅谷清洁能源创业公司曾学到的教训：真正的困难是在令人兴奋的实验室发现之后。他后来哀叹道，“我做了一个科学的圣杯，它太棒了！但这并不意味着我做了一个技术的圣杯，而这正是科学家和教授不擅长的。”他的初创公司太阳催化剂公司最终放弃了太阳能燃料的研究，转而开发为电网储存能量的太阳能电池。
但这段令他失望的经历并没能阻止他继续寻找人工叶圣杯，如今诺塞拉正在追求一个更大的目标，利用阳光、水和二氧化碳来生产碳基液体燃料。这种技术的潜在好处极为诱人，液体燃料已拥有庞大的全球基础设施网络，包括存储设施、跨洲输油管道和运送石油的超级油船，更不用说遍布全球的加油站。能够将阳光转化为燃料的装置可以利用所有这些基础设施。
刘易斯坚持认为，最具前景的从阳光中制造碳基燃料的途径包括了太阳能制氢作为中介，只要能够产生氢，人们就可以利用成熟的工业过程将氢和二氧化碳（从工厂和化石燃料发电厂捕获得到）结合起来，生产出一系列碳氢化合物燃料。“太阳能精炼厂”可以生产现代炼油厂同样规模的碳氢化合物燃料，用作运输业燃料或转化为从塑料到药品的一系列产品。
诺塞拉想要做的事情更难。他想绕过氢这一中间产物，利用阳光、水和二氧化碳直接生产含碳燃料，如果这一设想能够实现低成本、高效益和大规模，将成为在通用燃料中储存太阳光最有效、最单一的方法。
从科学的角度来看，这项任务几乎不可能完成，仅仅将水分解成氢和氧就已经够难了，而要创造出最简单的碳氢化合物则要复杂得多，需要发现更多的新材料来吸收光和催化化学反应。因此，开发从太阳能直接制造碳基燃料的商业技术比制造氢更难，实现的可能性也更遥远。
然而，在过去3年中，诺塞拉已经取得了一系列看似不太可能的突破。首先是概念上的转变：为什么一定要用人造设备来超越自然界的光合作用呢？为什么不能直接利用和驾驭自然呢？诺塞拉知道，大自然的光合作用利用了复杂的酶为催化剂，将阳光转化为复杂的糖类。他由此想到，基因改造的细菌在拥有了强大的酶后，也能表现出类似的行为。
因此，在2015年，诺塞拉创建了一种混合装置，首先用无机催化剂分离水产生氢，就像其他人工叶技术一样，然后，这同一个装置将氢和纯二氧化碳一起进入细菌，产生液体燃料。虽然这些细菌在将二氧化碳和氢转化为多种燃料方面做得非常出色，但可惜的是，它们与无机催化剂不能相容，后者产生的活性氧会破坏细菌的DNA。
2016年，诺塞拉和他的同事在《科学》杂志上发表论文，宣布成功合成了一种由钴磷合金制成的新催化剂，这种催化剂不仅不会伤害到细菌，而且还能模仿天然催化剂在溶液中自行修复的能力。找到了与细菌相容的催化剂，诺塞拉的设备在将阳光转化为醇类燃料方面能够达到10%的效率。诺塞拉报告说，这些细菌应该还能生产其他几种含碳分子，拥有多种应用前景，包括为汽车提供燃料、为塑料生产提供原料等。2017年诺塞拉演示证明，催化剂加细菌的方案可以通过在大气中固氮产生氨。这是一个令人激动的发现，因为现在全球超过1%的能源用于生产氨，从而为农作物施肥和养活全世界。诺塞拉的原型设备表明，未来有一天，我们可以利用阳光代替化石燃料来做这一切。
目前还无法确定，诺塞拉利用活的有机体的方案是不是一个好主意。事实上，细菌是非常挑剔的，对周围环境的酸度和温度都很敏感，因此具体方案的设计会很难。就目前来说，利用阳光制氢设备的发展速度比直接生产碳基燃料要快。但是，通过将现代材料与大自然神奇魔法的结合，研究人员有可能跳过制氢这一环节，开发出一种能完全替代化石燃料的清洁能源。
资料来源MIT Technology Review
责任编辑 岳峰
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本文作者瓦伦·西瓦拉姆（VarunSivaram）是美国外交关系协会能源安全专家。