人造樹葉

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更新時間: 2013-09-05

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所謂「人造樹葉」,其實是一種人工的合成樹葉,主要由玻璃晶片製成,是人造樹木的一部分。「人造樹葉」 中排列著微小的水流管道,可使水流到達樹葉進行蒸發。整個裝置的驅動力――即能量的產生源自中樞莖桿。莖桿中有與電路相連的金屬片,起到電容器的作用。水流經過樹葉時,會與空氣中的氣泡定期相遇。由於水和空氣的電學性能不同,因此,水流和氣泡的每次邂逅都會產生些許電流。「人造樹葉」也可將光能轉化成電能,實現真正「零排放」。

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1 人造樹葉 -概述

人造樹葉人造樹葉

眾所周知,太陽光中蘊藏著巨大的能量,並且,太陽能是不會產生溫室氣體污染的清潔能源,但是由於在晚間或陰雨天氣下沒有直接的太陽照射,需要藉助太陽能板將晴天的太陽能儲存起來。這種儲存技術目前來說成本過高,效率過低,嚴重阻礙了太陽能大規模取代化石類燃料的進程,因此,提高現有太陽能儲存技術是太陽能發展的關鍵。 

樹葉是大自然的傑作,它實現了多少年來科學家們夢寐以求的願望:利用光將水分解並製得燃料,這個簡單的想法卻耗費了人們巨大的精力和財力,最終的目的當然是希望能充分利用太陽能資源,同時摒除人們對碳的依賴性,如果照耀到地球上的太陽光有千分之一能被利用,那麼人們所擁有的能量就相當於目前所需能量的9倍。

推動新能源發展的各種技術越來越受到關注,在全世界都在刮著哥本哈根旋風的時候,這一點更為明顯。麻省理工學院的化學家發明了一種催化劑,可以利用太陽光把水變成氫氣。如果該過程能擴大規模,它可以使太陽能成為主要的能量來源。更具意義的是,這種技術有可能適用於海水,那麼人們的能源問題和水資源問題會有更多的選擇。

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2 人造樹葉 -研究

2008年夏天,美國科學家丹尼爾在美國麻省理工學院禮堂內說明:「一些氣泡就是水槽中的水分解后產生的氧氣,這個裝置代表了我們的未來,我們已經獲得了人造樹葉,像真正綠色植物的樹葉一樣通過光合作用將太陽光中的能源充分利用,轉化為我們需要的能量。」

實際上,丹尼爾教授展示的正是利用光合作用原理將水分解成氧氣和氫氣的化學反應裝置,由於丹尼爾教授成功研發出一種催化劑,利用這種催化劑,水分解的化學反應首次可以在常溫下進行,從而克服了利用水製成氫氣這一重要反應中最困難的一個難題。這個成果的重要意義更在於,利用太陽能發電的主要障礙將被克服,太陽能可能取代石油成為最主要的能源。

在丹尼爾的研究中,太陽光照射下,水分解成氫氣,而氫氣是一種用途多樣容易儲存的燃料,可以密封在內燃機內,也可以與燃料電池中的氧氣重新結合,更重要的是,如果該設想用在海水中,太陽能不僅能分解海水產生電能,更能使得分解后的氫氣與氧氣重新結合而形成寶貴的淡水。

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3 人造樹葉 -轉化能源

人造樹葉樹葉發電

瑞士洛桑聯邦理工學院化學和化工教授克拉澤爾發明了一種新型太陽能電池。它採用一種含染料的釕,就像植物中的葉綠素,吸收陽光,釋放電子。然而,克拉澤爾的太陽能電池中,電子並不引發水分解反應。取而代之的是,它們被一個二氧化鈦薄膜收集,並受外部電路的指示,產生電力。克拉澤爾的設想是,把他的太陽能電池和諾西拉的催化劑整合到一個設備中,捕獲來自太陽的能量,並利用它分解水。

原理是,克拉澤爾的染料將代替諾西拉系統中催化劑圍繞其形成的電極。當暴露在陽光中時,染料本身就能產生聚集催化劑所需的電壓。染料就像一根導電的分子線,然後催化劑在需要它的地方聚集。催化劑一旦形成,染料吸收的陽光就驅動分解水的反應。克拉澤爾表示,與分開使用太陽能電板和電解槽相比,該設備更高效更廉價。

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諾西拉則在研究的另一可能性,即其催化劑能否用於分解海水。諾西拉研究發現,在最初的測試中,有鹽存在的情況下,表現良好,其他正在測試研究,看看它能否處理海水中的其他化合物。如果能夠成功,諾西拉的系統就不僅僅能夠處理能源危機,它還能幫助解決世界淡水短缺。

4 人造樹葉 -原理

5 人造樹葉 -質疑

科學家門的發現引起了極大關注,不過也有很多質疑的聲音。許多化學家覺得其過於樂觀,曾是諾西拉導師的托馬斯·邁耶表示,儘管諾西拉的催化劑「可能被證明在技術上是重要的,是一個研究發現,不能保證它能夠擴大規模或者甚至將它變得實用。」

另外一種質疑在於,諾西拉的實驗室分解水的步驟不能像商業電解槽那樣快。系統越快,生產一定量的氫和氧的商業單位就越小,而通常越小的系統越便宜。也有科學家質疑將太陽光變成電力,然後變為化學燃料,再回到電力的整個原理。他們建議,儘管電池儲存的能量遠少於化學燃料,它們卻高效得多,因為在使用電力製造燃料,然後用燃料產生電力的過程中,每一步都浪費能量。「集中在改善電池技術或其他相似的能量儲存形式上更好,而不是發展水電解以及燃料電池。」

6 人造樹葉 -未來發展

無論如何,「人工樹葉」都是一個美好願景,加州大學伯克利分校的化學和材料科學教授保羅·阿利維撒托斯(PaulA livisatos)表示,他也正領導組織勞倫斯伯克力國家實驗室的一個項目,用化學方法模擬光合作用。 2010年11月 美國北卡羅來納州立大學研究小組日前展示了一種新太陽能裝置——「人造樹葉」。該設備基於水凝膠,能夠像太陽能電池一樣產生電力,且造價有望比現有硅基太陽能電池更低,環保效果更好。

「人造樹葉」由充滿光敏分子的水基凝膠構成,具有兩個塗覆了碳材料的電極,研究人員在試驗中曾使用葉綠素作為光敏分子。

北卡羅來納州立大學教授奧林·威利夫(Orlin Velev)表示,如同植物分子受激發合成糖類一樣,光敏分子受太陽光線的激發產生電力。該研究論文發表於《材料化學雜誌》網路版上,威利夫為主要作者。

研究小組希望弄清楚如何模仿能夠在自然中利用太陽能的材料。雖然「人造樹葉」可以使用人造光敏分子,但因為該裝置的基質是水凝膠,因此葉綠素等自然衍生的材料也能很容易地集成進來。

威利夫表示,研究人員將微調水基光電元件,使其更接近於真實的樹葉。他說:「下一步工作是模仿植物中發現的自我再生機制。另一個挑戰是改變水基凝膠和光敏分子,提高太陽能電池的效率。」

威利夫甚至想象到了未來屋頂上到處覆蓋著「人造樹葉」太陽能電池的情景,但他表示:「現階段我們無法預期太多,該裝置的效率仍然相對較低,在成為一種實用技術之前,還有很長一段路要走。不過,我們認為生物激發的『柔軟』發電裝置未來可能成為當今固態技術的替代選擇。」

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