光能編年史

我們可以想象一下這樣的場景：世界各地再也看不到標志著工業化進步的工廠和煙囪，看到的只是一片一片廣袤的森林，所有建筑物的頂端也都覆蓋著樹葉，道路旁、河流邊是一株株枝葉繁茂的大樹，大街上的行人，全都身披樹葉……到底是《地球停轉之日》中的外星人成功摧毀了人類文明，還是2012浩劫的到來使我們回到了原始社會？

原來，這是——光能的未來。“森林”就是未來的發電廠和化工廠，利用太陽能生產人類需要的一切。雖然目前只是幻想的美麗圖景，但是現在，科學家們正在努力進行太陽能利用的研究，加快光能技術實現的速度。

太陽能發展歷程

自然界中利用太陽能最好的方式莫過于植物的光合作用，經過一系列復雜的酶促生物化學反應，產生氧氣和有機物。人們則從中獲得啟發，利用太陽能催化水的光解，生產氫氣和氧氣。最初水的光解，并不是對樹葉的模擬，而是1967年發現的“本多·藤島效應”——TiO2在紫外光的照射下能夠催化水分解為氫氣和氧氣，而起到催化作用的TiO2，叫做光觸媒。在隨后的三十多年的實踐中，科學家們不斷地改進分子組成和結構，使光觸媒的性能持續提高，由最初簡單的TiO2晶體發展到現在復雜的具有共角的 TaO6 八面體結構鉭酸鹽晶體，量子效率也提高到了56%，MIT的研究人員更是利用廉價的鈷和鎳制作出了“人造樹葉”，但是這些無機光觸媒的研究，卻始終不得植物光合作用的“真傳”。

我國中科院理化技術研究所則進行了樹葉中葉綠體光合作用功能的仿生研究，利用氫化酶等一系列有機催化劑，實現了從水中制備氫氣的反應。研究所還構建了搭載酶的高分子催化體系，相當于建造了一個“微型工廠”，把散兵游勇般存在的催化劑以高效的方式集合起來，仿佛搭建起一個催化水產氫的“生產線”，大大提高了反應的效率。

不僅是能源

太陽能的光化學利用，還能夠進行化工生產。16-DPA（雙烯醇酮醋酸酯）是調節糖代謝、抗炎、抗過敏等藥品的中間體，傳統的熱化學制作工藝使用三氧化鉻作為氧化劑，能耗高，并且會產生大量的含鉻廢水，所以許多國家都禁止該產品生產。而我們則利用太陽能的光催化技術，使用空氣中的氧氣作為氧化劑，生產16-DPA。這是現在已經實現的一個例子，也在未來，只要有適當的催化體系，人工的“光合作用”也許不僅能夠生產有機物，還能生產藥品、日用品，甚至能夠提供組裝重工業產品的元件，采用“種樹”的方式幾乎能夠代替現在所有的化工廠。

“森林化工廠”的實現

為了達到需求，要求“森林化工廠”不放過任何太陽能。一般的植物只能吸收太陽能中的很少一部分，而森林工廠能夠利用幾乎所有的太陽能，其奧秘在于染料敏化技術。在所有的“樹葉”表面涂有一層染料，但并不是為了使“樹葉”更加漂亮光鮮，而是為了吸收更廣泛的太陽能光譜，進而將這些能量傳遞給真正的生產過程，就好比是“樹葉生產車間”的預處理工廠。香港大學的任詠華教授就在進行這樣的研究，并取得了杰出的進展。她創造性地在大有機分子中間添加金屬核構造出有機金屬，通過不同的金屬核以及周圍的有機分子的性質，能夠吸收不同波長的光，拓寬光敏材料的相應光譜范圍。在她的研究中，可以使用鉑、金等貴金屬，更先進的是可以使用銅、銀的配合物，在保證效率的同時大幅降低成本。她還研究出了新型發光材料，應用于白OLED燈管，降低了電能向熱能的轉化，更高效地轉化為光能，大大節省了用電量，相當于以另一種形式“產生”了能源。因此2011年她獲得了有“女性諾貝爾獎”之稱的歐萊雅－聯合國教科文組織 頒發的“世界杰出女科學家成就獎”。