人工树叶：光合作用分解水获得安全燃料

　　据国外媒体报道，受到树叶里发生的一个化学变化的启发，加州理工学院的科学家们开发出一种新的导电薄膜。有了这张膜，利用阳光将水分解成氢燃料中出现的问题将迎刃而解。

　　诸如硅这类的半导体在导电的过程中很容易氧化生锈，加入氧化镍薄膜能够防止生锈，同时能促进阳光的分解作用，获得更多的像甲烷或者氢这样的燃料。

　　“我们已经开发出一种新型保护膜，它能使太阳能分解生产燃料的效率、稳定性以及效果将达到前所未有的高度，安全性也很好，不会产生易爆的氢氧混合物。”来自加州理工大学的该发明的合作者之一，乔治·阿吉罗斯教授（George L. Argyros Professor）奈特·路易斯（Nate Lewis）介绍了他们的新成果。这一研究刊登于今年3月9日上线的美国国家科学院院刊（PNAS）网络版上，详细描述了这种新型保护膜。

　　这张膜能让我们创造出一个安全、高效的人工光合作用系统，俗称太阳能燃料制造机或者“人工树叶”。“人工树叶”复制了自然界中植物利用阳光将水、二氧化碳转化成氧气和碳水化合物类燃料的过程。

　　加州理工大学人工光合作用联合中心（JCAP）的“人工树叶”项目包含了3个主要的组合部分：两种电极——光阳极和光阴极以及薄膜。光阳极利用阳光氧化水分子产生氧气、质子和电子，而光阴极利用光阳极产生的质子和电子合成氢气。膜，通常用塑料制成，用来将这两种气体隔开，以防止任何可能性的爆炸。然后在一定的压力下这些气体会被压入管道收集起来。

　　科学家们已经尝试过用硅或者砷化镓这类用在太阳能电池板上能够吸收光的普通半导体来制作电极，然而主要问题是这些材料碰到水会容易氧化，也就是生锈。

　　之前，路易斯与其他科学家也尝试为这些电极穿上保护膜，但由于种种原因，实验都失败了。“理想的保护膜需要符合很多条件，要与它所覆盖的半导体能够在化学上相容，不透水，能导电，透明度要高能保证透光，容易被催化产生反应，释放氧和燃料。”路易斯，这位JCAP的科学带头人说，“造出符合上述任一条件的保护膜都是一项重大的飞跃，而我们现在一次性都做到了。”

　　路易斯团队展示了他们的氧化镍薄膜，可以用在包括硅、磷化铟、碲化镉在内的多种半导体材料上。尤其在保护光阳极上，氧化镍薄膜的优越性能远远超过了其他类似的保护膜。路易斯去年就做过一张这样不怎么样却相当复杂的膜。氧化镍膜只有一层，而这张膜有两层，主要成分是二氧化钛（TiO2），一种天然化合物，常见于防晒霜、牙膏和白涂料的配料中。

　　路易斯实验室工作的一名博士后也是该研究的第一作者孙科（Ke Sun，音译）说，“当看着光阳极能够保持24小时，100小时甚至是500小时不发生一点降解时，我知道我们成功地完成了一项之前的科学家们总是以失败告终的事情。”

　　路易斯团队发明的制作氧化镍薄膜新技术需要将粉碎的氩原子在富氧环境下放入高速转动的镍原子颗粒中。在这个过程中，“从氩原子中溅射下来镍原子碎片与氧原子发生反应，生成一种镍的氧化物，沉淀在半导体上形成了保护膜。”

　　关键就在于这种新型的氧化镍薄膜能够很好地配合另外一张重要的膜，这张膜负责将光阳极与光阴极隔开，前者释放氢气，后者释放氧气，互不干涉。

　　“没有这张隔膜，光阳极与光阴极会因为靠得太近而放电，再遇上刚由它们自己释放出的活泼的氧气氢气，这绝对是一副炸药的好配方。”路易斯说，“有了我们的这张氧化镍薄膜，你就能一次性造出一个没有爆炸相对安全且持久高效的人工光合作用机器。”

　　实验离应用始终有距离。路易斯提醒大家，人工光合作用机器投入商业市场还需要很长一段时间。这个系统的其他部分，比如光阴极还有很多地方不够完美。

　　“我们团队还在为完善光阴极努力着，”路易斯说，“目前要做的就是把这两个部分都做好，给大家呈现完整的人工光合作用系统以及它的运作过程。这不太容易，但是值得庆幸的是，过去半个世纪中缺失的关键部分，我们现在已经有了一个。”