用太陽能制氫：中美各出奇招

在科學家的眼中，樹葉能完成光合作用，是利用太陽能的“高手”，人類所需的氧氣、食物和能源都來自于自然界的光合作用。綠色植物都可以通過綠葉的光合作用酶吸收太陽光，將水和二氧化碳轉化為碳水化合物，同時放出氧氣。然而，任何一片綠葉都能做的這種最簡單最普通的“工作”，對于科學家而言卻是最具挑戰的課題。科學家們一直希望構建一個利用太陽能直接全分解水并放出氧氣和氫氣的人工光合作用系統，讓高能量的氫氣燃燒后生成水，讓人類能夠使用清潔能源。

不久前，中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室及潔凈能源國家實驗室的研究者在人工光合研究項目上取得重要進展，實現了利用太陽光分解水制氫氣和氧氣的反應。研究者在研究中提出了復合人工光合體系的理念，試圖雜化集成自然和人工光合體系的優勢，建立自然光合和人工光合的復合雜化體系，以實現太陽能到化學能的高效轉化，并揭示自然光合體系的奧秘。圍繞這一理念，團隊先后構建了雜化體系，實現了高效產氫、氫轉移及二氧化碳加氫等還原反應，為發展全分解水體系奠定了基礎。

試驗中，研究團隊利用光合酶PSII和人工光催化劑的優勢，構建了植物PSII酶和半導體光催化劑的自組裝成雜化光合體系，在可見光照射下實現了分解水生產氫氣和氧氣。他們將裝有催化劑的燒瓶置于戶外陽光下，就可以分解水放出氫氣。有關專家認為，這項研究為進一步構建和發展自然—人工雜化的太陽能高效光合體系提供了思路。

與中國科學家的方法不同，美國科學家目前通過模仿一棵樹的能量轉換過程，開發出了一種高效的太陽能制氫技術。該技術水解氫氣的效率比傳統技術高兩倍以上，且能十分方便地安裝在湖泊、海洋和陸地上，為氫燃料的制備提供了一個新的選擇。對于水解制氫技術，世界各地的科學家們已經探索了多年，但這些技術大都需要將光催化劑淹沒在水中。由于陽光在與水面接觸后會發生折射和衍射，這極大限制了這些技術的制備效率。

新研究中，美國威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程系助理教授王旭東（音譯）與美國林業產品實驗室的蔡志勇（音譯）博士專門對此進行了創新。他們試圖通過模仿樹的能量轉化過程來解決這一難題。這一“樹形”設備的頂部是由纖維素制成的面板和用二氧化鈦介孔材料制成的催化劑涂層，它們能最大限度地獲取陽光并增加水與催化劑接觸的面積；而在這顆“樹”的底部，則是由納米碳纖維（CNFs）組成的龐大“根系”，這些納米碳纖維制成的根系組織能夠將水分運輸到頂部的催化劑“葉子”上，在那里，水會被分解成氫氣和氧氣。整個過程與樹木的光合作用極為相似。由于催化劑不會完全淹沒在水中，同時又保證與陽光的充分接觸，這種技術不但大大加快了水分解的時間，效率也比傳統技術要高的多。

美國科研團隊在世界范圍內第一個采用了基于納米碳纖維材料的催化劑涂層技術，該技術與傳統技術相比還具有極為優異的親水性能。“在地面上放置一個盛水的容器就能通過該技術獲取氫燃料，如果能將這種裝置架設到湖泊或是海洋上將會更為便利。該技術有望最大限度地消除水面環境的局限性，最大限度地提高太陽能的轉化效率。以這種技術建立的制氫工廠既能建立在陸地上，也能建在水體上。”他說。

接下來，王旭東和他的合作者希望制造一個更大規模的原型。該項目由美國能源部資助，目前美國林產品實驗室正在為該技術申請專利。