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  • 人造树叶

    人造树叶,指的是一种人工的合成树叶,主要由玻璃晶片制成,是人造树木的一部分。“人造树叶”中排列着微小的水流管道,可使水流到达树叶进行蒸发。整个装置的驱动力――即能量的产生源自中枢茎杆。茎杆中有与电路相连的金属片,起到电容器的作用。水流经过树叶时,会与空气中的气泡定期相遇。由于水和空气的电学性能不同,因此,水流和气泡的每次邂逅都会产生些许电流。“人造树叶”也可将光能转化成电能,实现真正“零排放”。

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    中文名: 人造树叶

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    概述/人造树叶 编辑

    人造树叶人造树叶

    众所周知,太阳光中蕴藏着巨大的能量,并且,太阳能是不会产生温室气体污染的清洁能源,但是由于在晚间或阴雨天气下没有直接的太阳照射,需要借助太阳能板将晴天的太阳能储存起来。这种储存技术目前来说成本过高,效率过低,严重阻碍了太阳能大规模取代化石类燃料的进程,因此,提高现有太阳能储存技术是太阳能发展的关键。 

    树叶是大自然的杰作,它实现了多少年来科学家们梦寐以求的愿望:利用光将水分解并制得燃料,这个简单的想法却耗费了人们巨大的精力和财力,最终的目的当然是希望能充分利用太阳能资源,同时摒除人们对的依赖性,如果照耀到地球上的太阳光有千分之一能被利用,那么人们所拥有的能量就相当于目前所需能量的9倍。

    推动新能源发展的各种技术越来越受到关注,在全世界都在刮着哥本哈根旋风的时候,这一点更为明显。麻省理工学院的化学家发明了一种催化剂,可以利用太阳光把水变成氢气。如果该过程能扩大规模,它可以使太阳能成为主要的能量来源。更具意义的是,这种技术有可能适用于海水,那么人们的能源问题和水资源问题会有更多的选择。[1][2]

    研究/人造树叶 编辑

    2008年夏天,美国科学家丹尼尔在美国麻省理工学院礼堂内说明:“一些气泡就是水槽中的水分解后产生的氧气,这个装置代表了我们的未来,我们已经获得了人造树叶,像真正绿色植物的树叶一样通过光合作用将太阳光中的能源充分利用,转化为我们需要的能量。”

    实际上,丹尼尔教授展示的正是利用光合作用原理将水分解成氧气和氢气的化学反应装置,由于丹尼尔教授成功研发出一种催化剂,利用这种催化剂,水分解的化学反应首次可以在常温下进行,从而克服了利用水制成氢气这一重要反应中最困难的一个难题。这个成果的重要意义更在于,利用太阳能发电的主要障碍将被克服,太阳能可能取代石油成为最主要的能源。

    在丹尼尔的研究中,太阳光照射下,水分解成氢气,而氢气是一种用途多样容易储存的燃料,可以密封在内燃机内,也可以与燃料电池中的氧气重新结合,更重要的是,如果该设想用在海水中,太阳能不仅能分解海水产生电能,更能使得分解后的氢气与氧气重新结合而形成宝贵的淡水。[3]

    转化能源/人造树叶 编辑

    树叶发电树叶发电

    瑞士洛桑联邦理工学院化学和化工教授克拉泽尔发明了一种新型太阳能电池。它采用一种含染料的钌,就像植物中的叶绿素,吸收阳光,释放电子。然而,克拉泽尔的太阳能电池中,电子并不引发水分解反应。取而代之的是,它们被一个二氧化钛薄膜收集,并受外部电路的指示,产生电力。克拉泽尔的设想是,把他的太阳能电池和诺西拉的催化剂整合到一个设备中,捕获来自太阳的能量,并利用它分解水。

    原理是,克拉泽尔的染料将代替诺西拉系统中催化剂围绕其形成的电极。当暴露在阳光中时,染料本身就能产生聚集催化剂所需的电压。染料就像一根导电的分子线,然后催化剂在需要它的地方聚集。催化剂一旦形成,染料吸收的阳光就驱动分解水的反应。克拉泽尔表示,与分开使用太阳能电板和电解槽相比,该设备更高效更廉价。

    诺西拉则在研究的另一可能性,即其催化剂能否用于分解海水。诺西拉研究发现,在最初的测试中,有盐存在的情况下,表现良好,其他正在测试研究,看看它能否处理海水中的其他化合物。如果能够成功,诺西拉的系统就不仅仅能够处理能源危机,它还能帮助解决世界淡水短缺[3]

    原理/人造树叶 编辑

    光和作用

    从小到大,随处可见的是,植物能轻易地利用阳光,将足够的材料转变为富含能量的分子。人工光合作用的领域开始得很快,20世纪70年代早期就有这方面的研究,但是并没有可以推广到应用层面的突破,几十年来,科学家们研究植物吸收太阳光并储存能量的结构和材料,但是并没有找到一个清晰的“路线图”。

    直到2004年,伦敦帝国学院的研究人员确定了一组蛋白质和金属的结构,对于植物从水中释放氧有重要作用。诺西拉表示,“看到这一点后,我们就可以开始设计系统。”他表示,人工光合作用能提供一个可行的、储存产自太阳能的能量的方法,使人们的房屋不必依赖电网。在这一计划中,来自太阳能电板的电力驱动电解槽,将水分解为氢和氧。氢被储存起来,在夜间或多云的日子,它被装进燃料电池产生电力供应给电灯、电器甚至电动汽车。在阳光充足的天气,有些太阳能直接使用,绕过制造的步骤。

    质疑/人造树叶 编辑

    科学家门的发现引起了极大关注,不过也有很多质疑的声音。许多化学家觉得其过于乐观,曾是诺西拉导师的托马斯·迈耶表示,尽管诺西拉的催化剂“可能被证明在技术上是重要的,是一个研究发现,不能保证它能够扩大规模或者甚至将它变得实用。”

    另外一种质疑在于,诺西拉的实验室分解水的步骤不能像商业电解槽那样快。系统越快,生产一定量的氢和氧的商业单位就越小,而通常越小的系统越便宜。也有科学家质疑将太阳光变成电力,然后变为化学燃料,再回到电力的整个原理。他们建议,尽管电池储存的能量远少于化学燃料,它们却高效得多,因为在使用电力制造燃料,然后用燃料产生电力的过程中,每一步都浪费能量。“集中在改善电池技术或其他相似的能量储存形式上更好,而不是发展水电解以及燃料电池。”

    未来发展/人造树叶 编辑

    无论如何,“人工树叶”都是一个美好愿景,加州大学伯克利分校的化学和材料科学教授保罗·阿利维撒托斯(PaulA livisatos)表示,他也正领导组织劳伦斯伯克力国家实验室的一个项目,用化学方法模拟光合作用。 2010年11月 美国北卡罗来纳州立大学研究小组日前展示了一种新太阳能装置——“人造树叶”。该设备基于水凝胶,能够像太阳能电池一样产生电力,且造价有望比现有硅基太阳能电池更低,环保效果更好。

    “人造树叶”由充满光敏分子的水基凝胶构成,具有两个涂覆了碳材料的电极,研究人员在试验中曾使用叶绿素作为光敏分子。

    北卡罗来纳州立大学教授奥林·威利夫(Orlin Velev)表示,如同植物分子受激发合成糖类一样,光敏分子受太阳光线的激发产生电力。该研究论文发表于《材料化学杂志》网络版上,威利夫为主要作者。

    研究小组希望弄清楚如何模仿能够在自然中利用太阳能的材料。虽然“人造树叶”可以使用人造光敏分子,但因为该装置的基质是水凝胶,因此叶绿素等自然衍生的材料也能很容易地集成进来。

    威利夫表示,研究人员将微调水基光电元件,使其更接近于真实的树叶。他说:“下一步工作是模仿植物中发现的自我再生机制。另一个挑战是改变水基凝胶和光敏分子,提高太阳能电池的效率。”

    威利夫甚至想象到了未来屋顶上到处覆盖着“人造树叶”太阳能电池的情景,但他表示:“现阶段我们无法预期太多,该装置的效率仍然相对较低,在成为一种实用技术之前,还有很长一段路要走。不过,我们认为生物激发的‘柔软’发电装置未来可能成为当今固态技术的替代选择。”

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2009-12-10
    [2]^引用日期:2009-12-10
    [3]^引用日期:2009-12-10

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