高中化学生活拓展阳光的最佳俘获者—人造树叶素材
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关键词：人造树叶；光合作用；氢燃料；能量转换；催化剂 文章编号： 1005–6629(2011)09–0074–03 中图分类号： Q811 文献标识码： E
随着全球气候变暖的日益加剧，在未来 40 年，人 类必须生产出至少 10 万亿瓦不含碳的清洁能源。倘若 利用水能，即便将地球上所有的江河湖泊都筑上堤坝 建成水电站，也只能提供 5 万亿瓦的电能；倘若利用核 能，那么必须在未来 40 年每两天就必须建成一座核反 应堆。显然上述两种能源远远不能满足人类对清洁能 源的巨大缺口。于是许多科学家将目光瞄准了地球上最 普通的两种物质——阳光和树叶。太阳光能给人类提 供每平方米高达 1000 瓦的能量，而树叶可以利用这些 能量进行光合作用并就地产生化学能。假如人类能设 计出这样的一种装置：像树叶的光合作用那样将这些 太阳光进行俘获并就地产生清洁能源氢燃料，那么我 们就可以利用这些氢燃料，就像使用石油和天然气一 样，用于驱动汽车、产生热量以及发电。科学家把这样 的一种装置形象地称之为人造树叶。
1919 年 7 月 15 日，费歇尔病重，深知自己将不久于 人世，他随即做了遗嘱公证：吩咐从他的遗产中取出 75 万马克献给科学院，作为艾米尔·费歇尔基金提供德国 青年化学家使用。他寄希望于未来，临终之前还热望化 学事业后继有人，继续发展。就在当晚，一位不断追求
·74·
科学真理，具有高超非凡实验合成才能，被誉为“生物 化学创始人”的费歇尔，在他的长子守护下离开了人世； 但他所留下的杰出成果和科学精神将驻留人间，并为后 人所敬仰和继承发扬。
1 人造树叶的构成及工作原理 事实上，人造树叶只是一个技术概念，并不专指某 一片叶子。这种技术主要是模拟真实植物的光合作用 原理：用人工材料制成小巧轻薄的片状“叶子”，浸泡 在水中，经过太阳光的照射，水被分解为氧气和氢气， 这些 气体储 存 起 来可用于发电。所 谓的“叶 子”，只是 一块高级的太阳能电池。
后院里不太贵的设备自行生产驱动汽车所需的氢燃料
了。
3 人造树叶的独特优势和应用设计
人造树叶和已经推广使用的太阳能电池相比，虽
然二者利用的都是太阳能，但人造树叶却拥有着一些
独特的优势（见表 2），正是这些优势让科学家们深信：
未来人造树叶一定可以取代太阳能电池。
表 2 人造树叶和太阳能电池的优势比较
使用，比如房顶等
比如汽车等
当然，人造树叶最大的应用价值在于氢燃料的获 得，除此之外科学家们也设计出了人造树叶的另一重大 应用：将许多片人造树叶进行有序组合，制成太阳能电 池薄膜，同时连接上燃料电池，利用人造树叶产生的氢 气进行二次发电，这样就构成了一种新的发电装置：太 阳能燃料电池（图 2）。
白天
夜晚
人造树叶目前只能在全球少数的几个实验室中可 以制造出原型，比如美国加州理工学院化学家内·刘易 斯所在的实验室，他们研制出的“树叶”比计算机芯片 大不了多少（见图 1），可以像天然树叶的光合作用那 样，利用太阳能将水分解得到氢燃料。这种人造树叶主 要由半导体纳米线阵列和透明塑料薄膜构成。半导体 纳米线阵列由非晶硅纳米线制成，像用于制造太阳能 电池的多晶硅那样，可以吸收太阳光子，进而将太阳能 转化为电能。此外，在半导体纳米线阵列上还嵌有催化 剂，主要用于分解水并提升反应速率。透明塑料薄膜将 半导体纳米线一分为二，像质子交换膜那样允许氢离 子从上部穿出并游离至下部与电子结合。
氢离子还 原阶段
人 造树 叶中氢 离子的 还 原仍 然 需 要 一种理 想的 催 化 剂的 促进作用方可产生氢气；而在天然树叶中，氢离子与电子以 及二氧化碳直接就可在基质中合成葡萄糖
目前，人造树叶只能在实验室中设计完成，尚不能 推广使用，存在两大难题。
首先在于半导体纳米线的光电转换效率太低，只 有 7 % 左右，而要满足全球的能源需求，人造树叶中的 光电转换效率必须达到 10 % 以上。就目前的科技水平 而言，若要提高转换效率可以使用商业化光伏电池，其 转换效率可以达到 20 % 甚至更高，但问题是用光伏电 池设计出来的人造树叶体形过于庞大，并且光伏电池必 须用到价格较昂贵的晶体硅，这样势必造成生产成本 过大，难以普及。因此，还需要找到新兴的可大规模生 产的太阳能采集技术，正如加州理工学院的刘易斯教 授所说的那样：“我们需要像土豆一样便宜的芯片而不 是硅芯片”，而刘易斯的团队正致力于这种芯片的研究， 并且有了一定的突破。他们设计出了一种光能收集器， 由嵌在透明塑料薄膜上的硅纳米线制成（见图 1）。刘 易斯说，如果做得足够大，它就可以像毯子一样卷起和 摊开。虽然硅纳米线的光电转换效率与光伏电池 20 % 的转换效率相比还有很大差距，但相比之下，用硅纳米 线制成的人造树叶的生产成本比较低，就像报纸用的 纸一样廉价，即使转换效率较低，也是可以接受的。
5× 10-2
4.7× 4.6× 3.4× 2.1× 10-2 10-2 10-2 10-2
导电能力
醋酸溶液体积
② 将 0.1 mol·L-1 盐酸 滴加到 0.1 mol·L-1 氢氧化
钠液中，至恰好反应时，阳离子总数不变，浓度减小。当
盐酸过量时，阳离子浓度与体积变化两个因素中体积占
次要，有关计算数据列表如下：
分解为氢离子和氧气，氢离子穿过塑料薄膜，与电子结
合产生氢气，得到氢燃料，具体的反应为： 塑料薄膜上部：2H2O - 4e-=O2 ↑+ 4H+ 塑料薄膜下部：4H+ + 4e-=2H2 ↑ 2 人造树叶与天然树叶的差距
虽然人造树叶是模仿天然树叶的光合作用设计而 成的，但就目前的科技水平而言，人造树叶与天然树叶 相比还存在着较大的差距（见表 1）。
参考文献：
[1] 凌永乐、边克忠等“. 化学工业发展简史”. 北京：科学技术文 献出版社，1985：70 ~73.
[2][ 日 ] 原光雄 “. 近代化学奠基者”. 北京：科学出版社，1986： 346~357.
化 学 教 学 2011 年第 9 期
·知识拓展·
教学参考
米线阵列内部，在催化剂的帮助下产生的电能用于把水
化 学 教 学 2011 年第 9 期
和他的一位同事无意中发现，由磷和钴构成的一种材
料能够 催化产生氧气，这是 水分 解反 应的一 个必 要步
骤。对于其反应机理，诺切拉认为是带正电的钴离子从
水中的氢原子中夺走了电子，同时释放了氧。值得注意
的是反应中氧的生成速率与光合作用相当，尤为重要
的是 这种 催 化 剂具 有自我修复能力，这也与 树叶的特
教学参考
·知识拓展·
阳光的最佳俘获者——人造树叶
但世辉，陈莉莉
(襄阳市东风中学， 湖北襄阳 441004)
摘要：面对 21 世纪环境污染和能源短缺两大世界性难题，本文在阐述人造树叶工作原理的基础上，比较了人造树叶的不足和独 特优势，分析了人造树叶研制过程中遇到的技术瓶颈，并探讨了其应用价值和发展前景。
滴入盐 酸体积 0 1 2 3 5 10 11 20 50 （mL）
阳离子
浓度（mo·l L-1）
1× 10-1
9.1× 8.3× 7.7× 6.7× 10-2 10-2 10-2 10-2
5× 10-2
5.2× 6.7× 8.3× 10-2 10-2 10-2
导电能力
盐酸体积
③向 1 L 0.1 mol·L-1 氢氧化钠液中匀速缓慢通入 HCl 气体（溶液体积变化忽略不计），至恰好反应时溶 液中阳离子浓度不变，通入 HCl 气体过量时，阳离子（H+） 浓度增大，当形成 HCl 饱和溶液时，离子浓度将是一个 定值。有关计算数据列表如下：
通入 HCl 气体 （mol）
0
0.01 0.1 0.11 0.2
0.3
1
10 饱和
阳离子浓度 （mol·L-1）
1× 1× 1× 1× 2× 3× 10-1 10-1 10-1 10-1 10-1 10-1
1
10 13.14
导电能力
HCl 的物质的量
（上接第 75 页）
将人造树叶与燃料电池进行组合而成的太阳能燃 料电池最大的优点在于它存在两种发电方式：当日照充 足时，人造树叶中的硅纳米线阵列以满功率发电。由于 白天用电负荷轻，多余电能便在硅纳米线阵列内部用于 电解水得到氢气，在夜晚或阴天无日照时燃料电池利用 氢气 进 行二次 发电，供 用户使 用；当日照不足，硅纳米 线阵列发出的电能不能满足负载需求时，启用燃料电池 和硅纳米线阵列同时发电，一起为负载供电。与传统的 火力、水利和核电技术相比，这种电池具有的最大优势 在于：无论天气如何，均能持续不断地供应电能和氢能 源，并且对环境的影响小。
很高
部，用于提高反应速率和工作强度
提供功能
只能将太阳能转化为 电能供用户使用
不仅可以将太阳能转化为电能，同时 还可产生氢能源
适用范围
只在晴天有充足光照 时尚可发电
不仅晴天可以发电，当日照不足时还 可启用储存的氢气进行二次发电
太 阳能电池 板体形 较 体形可设计成扑克牌那样单薄，不仅
外形大小 大，适合在建筑物外部 可用于家用发电，还可用于内部供电，
表 1 人造树叶和天然树叶工作性能的比较
工作过程
比较说明
能量转换 阶段
人造树叶利用的是半导体纳米线，光能转换为电能的效率 只有 7 % 左右；天然树叶利用的是叶绿体中的类囊体，能 量转换效率在 20 % 左右
水分解 阶段
虽然二者均是将水分解为氢离子和氧气，但人造树叶需要 有一种高效、廉价的催化剂，这种理想的催化剂目前仍在 研究之中，而天然树叶可直接在叶绿体内快速将水分解
其次，人造树叶中水的分解过程必须依赖于催化 剂，而这种催化剂最好具有催化效率高、价格低廉的特 点，但是目前用于分解水的催化剂均不能同时满足以上 两种要求。比如说金属铂，它是目前催化水分解最好的 材料，其催化效率可以达到普通树叶的 12 倍，但由于 铂是一种比较稀缺的贵金属，且价格高达每克 350 元 人民币，因此寻找廉价、高效的催化剂成为了人造树叶 急需解决的另一重大难题。所幸的是，催化剂的寻找已 经有了突破。2008 年，美国麻省理工学院诺切拉教授
4 人造树叶的研究进展和发展前景 有关人造树叶的研究最早可追溯到 1972 年。当时， 日本学者藤岛昭和他的导师共同在《科学》杂志上发表 了一篇论文，这篇论文的核心便是使化学过程模拟了光 合作用，就 此，人 造树叶的 概 念 第一 次 进 入 科 学 家的 视野。 时隔 20 多年后的 1998 年，美国国家可再生能源 实验室的约翰·特纳博士才研制出了世界上第一片人造 树叶。他使用砷化镓制成的树叶来分解水，释放出了氢 和氧。这种人造树叶最大缺点在于砷化镓素有“半导体 贵族”之称，价格昂贵。 2010 年，上海交通大学金属基复合材料国家重点 实验室的科学家们将“人造树叶”的技术发布在当年的 美国科学学会上。这个团队用中国特有的植物——打 碗碗花做实验，先找到自然叶子收获阳光的结构，再研 制一种在功能上替代这种结构的化学物质，并且获得了
电池 项目
太阳能电池
人造树叶
生产原料 多生大多晶产晶约硅硅1需M，为要W成主1太本5要阳吨较原能高左料电右，池每的，三线更结利阵于非列推晶的广硅制为成基，价础格原低料，廉用，于耗硅能纳少米，
依 赖于电池 板 上铺 设 将非晶硅设计成纳米线阵列，并且固
工作原理
的电线进行工作，反应 速率和工作强度不是
定在塑料薄膜上，提高了工作的稳定 性，同时将催化剂嵌在纳米线阵列外
性相仿，更令人兴奋的是：在光合作用过程中，树叶每
半小时修复一次，这种催化剂自我修复能力甚至比树叶
还要高效。此外，钴和磷是两种比较便宜又丰富的元素，
假如用其替换金属铂，那么人造树叶的成本将会大大
降低。因此，许多科学家认为这种催化剂的发现是实现
“人工光合作用”的一次重大飞跃，就像诺切拉所预言
的那样：有了这种催化剂的帮助，人们就可以使用自家
人造树叶
负载 O2 H2 H2O
燃料电池
图 2 太阳能燃料电池工作示意图 （下转第 79 页）
·75·
·问题讨论·
教学参考
滴入醋 酸体积 0 1 2 3 5 10 11 12 20 50 （mL）
阳离子
浓度（mo·l L-1）
1× 10-1
9.1× 8.3× 7.7× 6.7× 10-2 10-2 10-2 10-2
太阳光子
硅纳米线
水分子 氢离子 塑料薄膜
氢离子
氢气 图1 人造树叶工作原理示意图
当太阳光照射到人造树叶上，半导体纳米线阵列 将太阳光子吸收进而转化为电能产生电子。在半导体纳
研究打下了基础。虽然蛋白质的合成还需要历史的等 待，但是处于 19 与 20 世纪之交的有机化学家和生物 化学家们对这个既定目标是不会放弃的；他们薪火相 传，正在一步一步地接近这个最高目标。
随着全球气候变暖的日益加剧，在未来 40 年，人 类必须生产出至少 10 万亿瓦不含碳的清洁能源。倘若 利用水能，即便将地球上所有的江河湖泊都筑上堤坝 建成水电站，也只能提供 5 万亿瓦的电能；倘若利用核 能，那么必须在未来 40 年每两天就必须建成一座核反 应堆。显然上述两种能源远远不能满足人类对清洁能 源的巨大缺口。于是许多科学家将目光瞄准了地球上最 普通的两种物质——阳光和树叶。太阳光能给人类提 供每平方米高达 1000 瓦的能量，而树叶可以利用这些 能量进行光合作用并就地产生化学能。假如人类能设 计出这样的一种装置：像树叶的光合作用那样将这些 太阳光进行俘获并就地产生清洁能源氢燃料，那么我 们就可以利用这些氢燃料，就像使用石油和天然气一 样，用于驱动汽车、产生热量以及发电。科学家把这样 的一种装置形象地称之为人造树叶。
1919 年 7 月 15 日，费歇尔病重，深知自己将不久于 人世，他随即做了遗嘱公证：吩咐从他的遗产中取出 75 万马克献给科学院，作为艾米尔·费歇尔基金提供德国 青年化学家使用。他寄希望于未来，临终之前还热望化 学事业后继有人，继续发展。就在当晚，一位不断追求
·74·
科学真理，具有高超非凡实验合成才能，被誉为“生物 化学创始人”的费歇尔，在他的长子守护下离开了人世； 但他所留下的杰出成果和科学精神将驻留人间，并为后 人所敬仰和继承发扬。
1 人造树叶的构成及工作原理 事实上，人造树叶只是一个技术概念，并不专指某 一片叶子。这种技术主要是模拟真实植物的光合作用 原理：用人工材料制成小巧轻薄的片状“叶子”，浸泡 在水中，经过太阳光的照射，水被分解为氧气和氢气， 这些 气体储 存 起 来可用于发电。所 谓的“叶 子”，只是 一块高级的太阳能电池。
后院里不太贵的设备自行生产驱动汽车所需的氢燃料
了。
3 人造树叶的独特优势和应用设计
人造树叶和已经推广使用的太阳能电池相比，虽
然二者利用的都是太阳能，但人造树叶却拥有着一些
独特的优势（见表 2），正是这些优势让科学家们深信：
未来人造树叶一定可以取代太阳能电池。
表 2 人造树叶和太阳能电池的优势比较
使用，比如房顶等
比如汽车等
当然，人造树叶最大的应用价值在于氢燃料的获 得，除此之外科学家们也设计出了人造树叶的另一重大 应用：将许多片人造树叶进行有序组合，制成太阳能电 池薄膜，同时连接上燃料电池，利用人造树叶产生的氢 气进行二次发电，这样就构成了一种新的发电装置：太 阳能燃料电池（图 2）。
白天
夜晚
人造树叶目前只能在全球少数的几个实验室中可 以制造出原型，比如美国加州理工学院化学家内·刘易 斯所在的实验室，他们研制出的“树叶”比计算机芯片 大不了多少（见图 1），可以像天然树叶的光合作用那 样，利用太阳能将水分解得到氢燃料。这种人造树叶主 要由半导体纳米线阵列和透明塑料薄膜构成。半导体 纳米线阵列由非晶硅纳米线制成，像用于制造太阳能 电池的多晶硅那样，可以吸收太阳光子，进而将太阳能 转化为电能。此外，在半导体纳米线阵列上还嵌有催化 剂，主要用于分解水并提升反应速率。透明塑料薄膜将 半导体纳米线一分为二，像质子交换膜那样允许氢离 子从上部穿出并游离至下部与电子结合。
氢离子还 原阶段
人 造树 叶中氢 离子的 还 原仍 然 需 要 一种理 想的 催 化 剂的 促进作用方可产生氢气；而在天然树叶中，氢离子与电子以 及二氧化碳直接就可在基质中合成葡萄糖
目前，人造树叶只能在实验室中设计完成，尚不能 推广使用，存在两大难题。
首先在于半导体纳米线的光电转换效率太低，只 有 7 % 左右，而要满足全球的能源需求，人造树叶中的 光电转换效率必须达到 10 % 以上。就目前的科技水平 而言，若要提高转换效率可以使用商业化光伏电池，其 转换效率可以达到 20 % 甚至更高，但问题是用光伏电 池设计出来的人造树叶体形过于庞大，并且光伏电池必 须用到价格较昂贵的晶体硅，这样势必造成生产成本 过大，难以普及。因此，还需要找到新兴的可大规模生 产的太阳能采集技术，正如加州理工学院的刘易斯教 授所说的那样：“我们需要像土豆一样便宜的芯片而不 是硅芯片”，而刘易斯的团队正致力于这种芯片的研究， 并且有了一定的突破。他们设计出了一种光能收集器， 由嵌在透明塑料薄膜上的硅纳米线制成（见图 1）。刘 易斯说，如果做得足够大，它就可以像毯子一样卷起和 摊开。虽然硅纳米线的光电转换效率与光伏电池 20 % 的转换效率相比还有很大差距，但相比之下，用硅纳米 线制成的人造树叶的生产成本比较低，就像报纸用的 纸一样廉价，即使转换效率较低，也是可以接受的。
5× 10-2
4.7× 4.6× 3.4× 2.1× 10-2 10-2 10-2 10-2
导电能力
醋酸溶液体积
② 将 0.1 mol·L-1 盐酸 滴加到 0.1 mol·L-1 氢氧化
钠液中，至恰好反应时，阳离子总数不变，浓度减小。当
盐酸过量时，阳离子浓度与体积变化两个因素中体积占
次要，有关计算数据列表如下：
分解为氢离子和氧气，氢离子穿过塑料薄膜，与电子结
合产生氢气，得到氢燃料，具体的反应为： 塑料薄膜上部：2H2O - 4e-=O2 ↑+ 4H+ 塑料薄膜下部：4H+ + 4e-=2H2 ↑ 2 人造树叶与天然树叶的差距
虽然人造树叶是模仿天然树叶的光合作用设计而 成的，但就目前的科技水平而言，人造树叶与天然树叶 相比还存在着较大的差距（见表 1）。
参考文献：
[1] 凌永乐、边克忠等“. 化学工业发展简史”. 北京：科学技术文 献出版社，1985：70 ~73.
[2][ 日 ] 原光雄 “. 近代化学奠基者”. 北京：科学出版社，1986： 346~357.
化 学 教 学 2011 年第 9 期
·知识拓展·
教学参考
米线阵列内部，在催化剂的帮助下产生的电能用于把水
化 学 教 学 2011 年第 9 期
和他的一位同事无意中发现，由磷和钴构成的一种材
料能够 催化产生氧气，这是 水分 解反 应的一 个必 要步
骤。对于其反应机理，诺切拉认为是带正电的钴离子从
水中的氢原子中夺走了电子，同时释放了氧。值得注意
的是反应中氧的生成速率与光合作用相当，尤为重要
的是 这种 催 化 剂具 有自我修复能力，这也与 树叶的特
教学参考
·知识拓展·
阳光的最佳俘获者——人造树叶
但世辉，陈莉莉
(襄阳市东风中学， 湖北襄阳 441004)
摘要：面对 21 世纪环境污染和能源短缺两大世界性难题，本文在阐述人造树叶工作原理的基础上，比较了人造树叶的不足和独 特优势，分析了人造树叶研制过程中遇到的技术瓶颈，并探讨了其应用价值和发展前景。
滴入盐 酸体积 0 1 2 3 5 10 11 20 50 （mL）
阳离子
浓度（mo·l L-1）
1× 10-1
9.1× 8.3× 7.7× 6.7× 10-2 10-2 10-2 10-2
5× 10-2
5.2× 6.7× 8.3× 10-2 10-2 10-2
导电能力
盐酸体积
③向 1 L 0.1 mol·L-1 氢氧化钠液中匀速缓慢通入 HCl 气体（溶液体积变化忽略不计），至恰好反应时溶 液中阳离子浓度不变，通入 HCl 气体过量时，阳离子（H+） 浓度增大，当形成 HCl 饱和溶液时，离子浓度将是一个 定值。有关计算数据列表如下：
通入 HCl 气体 （mol）
0
0.01 0.1 0.11 0.2
0.3
1
10 饱和
阳离子浓度 （mol·L-1）
1× 1× 1× 1× 2× 3× 10-1 10-1 10-1 10-1 10-1 10-1
1
10 13.14
导电能力
HCl 的物质的量
（上接第 75 页）
将人造树叶与燃料电池进行组合而成的太阳能燃 料电池最大的优点在于它存在两种发电方式：当日照充 足时，人造树叶中的硅纳米线阵列以满功率发电。由于 白天用电负荷轻，多余电能便在硅纳米线阵列内部用于 电解水得到氢气，在夜晚或阴天无日照时燃料电池利用 氢气 进 行二次 发电，供 用户使 用；当日照不足，硅纳米 线阵列发出的电能不能满足负载需求时，启用燃料电池 和硅纳米线阵列同时发电，一起为负载供电。与传统的 火力、水利和核电技术相比，这种电池具有的最大优势 在于：无论天气如何，均能持续不断地供应电能和氢能 源，并且对环境的影响小。
很高
部，用于提高反应速率和工作强度
提供功能
只能将太阳能转化为 电能供用户使用
不仅可以将太阳能转化为电能，同时 还可产生氢能源
适用范围
只在晴天有充足光照 时尚可发电
不仅晴天可以发电，当日照不足时还 可启用储存的氢气进行二次发电
太 阳能电池 板体形 较 体形可设计成扑克牌那样单薄，不仅
外形大小 大，适合在建筑物外部 可用于家用发电，还可用于内部供电，
表 1 人造树叶和天然树叶工作性能的比较
工作过程
比较说明
能量转换 阶段
人造树叶利用的是半导体纳米线，光能转换为电能的效率 只有 7 % 左右；天然树叶利用的是叶绿体中的类囊体，能 量转换效率在 20 % 左右
水分解 阶段
虽然二者均是将水分解为氢离子和氧气，但人造树叶需要 有一种高效、廉价的催化剂，这种理想的催化剂目前仍在 研究之中，而天然树叶可直接在叶绿体内快速将水分解
其次，人造树叶中水的分解过程必须依赖于催化 剂，而这种催化剂最好具有催化效率高、价格低廉的特 点，但是目前用于分解水的催化剂均不能同时满足以上 两种要求。比如说金属铂，它是目前催化水分解最好的 材料，其催化效率可以达到普通树叶的 12 倍，但由于 铂是一种比较稀缺的贵金属，且价格高达每克 350 元 人民币，因此寻找廉价、高效的催化剂成为了人造树叶 急需解决的另一重大难题。所幸的是，催化剂的寻找已 经有了突破。2008 年，美国麻省理工学院诺切拉教授
4 人造树叶的研究进展和发展前景 有关人造树叶的研究最早可追溯到 1972 年。当时， 日本学者藤岛昭和他的导师共同在《科学》杂志上发表 了一篇论文，这篇论文的核心便是使化学过程模拟了光 合作用，就 此，人 造树叶的 概 念 第一 次 进 入 科 学 家的 视野。 时隔 20 多年后的 1998 年，美国国家可再生能源 实验室的约翰·特纳博士才研制出了世界上第一片人造 树叶。他使用砷化镓制成的树叶来分解水，释放出了氢 和氧。这种人造树叶最大缺点在于砷化镓素有“半导体 贵族”之称，价格昂贵。 2010 年，上海交通大学金属基复合材料国家重点 实验室的科学家们将“人造树叶”的技术发布在当年的 美国科学学会上。这个团队用中国特有的植物——打 碗碗花做实验，先找到自然叶子收获阳光的结构，再研 制一种在功能上替代这种结构的化学物质，并且获得了
电池 项目
太阳能电池
人造树叶
生产原料 多生大多晶产晶约硅硅1需M，为要W成主1太本5要阳吨较原能高左料电右，池每的，三线更结利阵于非列推晶的广硅制为成基，价础格原低料，廉用，于耗硅能纳少米，
依 赖于电池 板 上铺 设 将非晶硅设计成纳米线阵列，并且固
工作原理
的电线进行工作，反应 速率和工作强度不是
定在塑料薄膜上，提高了工作的稳定 性，同时将催化剂嵌在纳米线阵列外
性相仿，更令人兴奋的是：在光合作用过程中，树叶每
半小时修复一次，这种催化剂自我修复能力甚至比树叶
还要高效。此外，钴和磷是两种比较便宜又丰富的元素，
假如用其替换金属铂，那么人造树叶的成本将会大大
降低。因此，许多科学家认为这种催化剂的发现是实现
“人工光合作用”的一次重大飞跃，就像诺切拉所预言
的那样：有了这种催化剂的帮助，人们就可以使用自家
人造树叶
负载 O2 H2 H2O
燃料电池
图 2 太阳能燃料电池工作示意图 （下转第 79 页）
·75·
·问题讨论·
教学参考
滴入醋 酸体积 0 1 2 3 5 10 11 12 20 50 （mL）
阳离子
浓度（mo·l L-1）
1× 10-1
9.1× 8.3× 7.7× 6.7× 10-2 10-2 10-2 10-2
太阳光子
硅纳米线
水分子 氢离子 塑料薄膜
氢离子
氢气 图1 人造树叶工作原理示意图
当太阳光照射到人造树叶上，半导体纳米线阵列 将太阳光子吸收进而转化为电能产生电子。在半导体纳
研究打下了基础。虽然蛋白质的合成还需要历史的等 待，但是处于 19 与 20 世纪之交的有机化学家和生物 化学家们对这个既定目标是不会放弃的；他们薪火相 传，正在一步一步地接近这个最高目标。