“人造樹葉”:人造光合作用催生未來能源
前不久,美國加州理工學(xué)院的科學(xué)家研制出了一種新材料,它是一種用二氧化鈦制成的新薄膜鍍層,這種鍍層能幫助科學(xué)家更加有效地把陽光轉(zhuǎn)化成零排放燃料。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/248599.htm利用太陽能發(fā)電,我們都很熟悉,但是此次美國科學(xué)家并非將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能,而是變成氫等耐貯存的化學(xué)燃料。這項(xiàng)研究的主要目標(biāo)是希望未來“讓安裝在屋頂和田野里的太陽能發(fā)電機(jī)直接為汽車、建筑物和工廠生產(chǎn)出液體或者氣體燃料”。
看到這則消息,可能有人不禁會(huì)問,既然太陽能發(fā)電已經(jīng)在我們的日常生活中廣泛應(yīng)用,為什么還要把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能呢?科學(xué)家的這項(xiàng)研究難道是在“多此一舉”嗎?
模擬光合作用,帶來清潔能源
模擬光合作用所得的氫氣和氧氣可以作為電池或氫發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料,具有熱值高、功率大等優(yōu)勢(shì)
果殼網(wǎng)成員、分子植物學(xué)博士研究生郗旺解釋說:“目前人工利用太陽能,是利用硅晶片將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能,從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或給電池充電。”但是,相比其他發(fā)電方式,目前太陽能電動(dòng)機(jī)還存在功率較低以及一旦對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備改裝,工程量就很巨大等問題。
美國科學(xué)家研究的這項(xiàng)新技術(shù)與我們熟悉的太陽能發(fā)電技術(shù)不同,它模擬了植物的光合作用原理。郗旺為記者介紹了植物光合作用的三個(gè)步驟:第一步,植物細(xì)胞中包含一種名叫葉綠體的細(xì)胞器,葉綠體中含有葉綠素,葉綠素受到光照后,能夠?qū)⒓?xì)胞中的水分解為氧氣、氫離子和電子;第二步,氫離子和電子與葉片吸收的二氧化碳一起,被葉綠體中的酶用來合成糖類;第三步,氧氣被釋放出去,而糖類則留在植物體內(nèi)被植物使用。對(duì)于植物的光合作用,他總結(jié)道:“總的來說,植物的光合作用是植物利用光能,將水和二氧化碳合成糖類和氧氣的過程。”
相比傳統(tǒng)太陽能發(fā)電技術(shù),美國科學(xué)家的這項(xiàng)新技術(shù)模擬了光合作用原理的第一步,即利用光能將水分解為氧氣和氫氣,得到的氫氣和氧氣燃燒,產(chǎn)生能量,為人們所用。換句話說,人們以水為媒介,從而將光能變成了動(dòng)力。對(duì)此,郗旺的評(píng)價(jià)是:“模擬光合作用所得到的氫氣和氧氣可以作為電池或氫發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料,具有熱值高、功率大等優(yōu)勢(shì),發(fā)展前景極好。”
與“人造樹葉”原理相同
原料是水,發(fā)電后生成物也是水,或許在不久的將來,我們每家每戶都能用上這樣的綠色清潔能源
事實(shí)上,在科學(xué)界,模擬光合作用的研究并不是從現(xiàn)在才開始的。早在1998年,美國科羅拉多州的約翰·特納博士就研制出了世界上第一片人造葉子。到了2011年,美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家諾塞拉博士也公布了自己團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型人造葉子,它有撲克牌一般大小,卻沒有粗細(xì)不等的葉脈,取而代之的是各種電子元件;它也沒有普通樹葉常見的綠顏色,看上去就像一塊亮晶晶的遮光板。
科學(xué)家在研發(fā)這種新型葉子的過程中,克服了之前人造葉子造價(jià)昂貴、使用周期短、材料遇水易銹蝕等問題,它的基礎(chǔ)材料是硅,只要浸泡在水中,經(jīng)過太陽光的照射,便可以模擬光合作用,將水分解為氫氣和氧氣,而這些氣體儲(chǔ)存起來可用于發(fā)電。在很多人看來,與其說這是一片“葉子”,不如說它是一塊高級(jí)的太陽能電池。
對(duì)此,郗旺說,這次加州理工學(xué)院的科學(xué)家模擬人造光合作用的技術(shù)與2011年諾塞拉博士的新型人造葉子使用的是相同的原理,“只不過,這兩種技術(shù)使用的催化媒介不同,一個(gè)是硅基的,另一個(gè)是鈦基的,因此反應(yīng)效率也略有差異。”同時(shí),他指出,人造光合作用是一種十分經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的發(fā)電方式,原料是水,發(fā)電后生成物也是水,一旦技術(shù)成熟,不久的將來,我們每家每戶都能用上這樣的綠色清潔能源,作為自己的“發(fā)電站”。
“光合作用原理”可被廣泛利用
可以高效地合成糖類等有機(jī)物,解決食品短缺的問題;可降低大氣中的二氧化碳濃度,減少溫室效應(yīng)
“人造光合作用”轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的技術(shù)雖好,但現(xiàn)在還存在效率不盡如人意、材料成本過高等缺陷。因此,郗旺說,對(duì)于模擬光合作用技術(shù)來說,下一個(gè)目標(biāo)是提高對(duì)光的利用效率,即使用更少的光來分解更多的水,同時(shí)降低材料的成本。
實(shí)際上,自然界中的光合作用是支撐地球生命的基礎(chǔ),它為地球上的無數(shù)生物提供氧氣和食物,也以煤炭等形式為人類提供了能源。除了模擬光合作用原理產(chǎn)生氫氣和氧氣,可以很大程度上解決能源短缺問題之外,對(duì)于植物的光合作用原理本身,人類可利用的范圍并不僅限于此。
郗旺列舉了一些利用光合作用原理的應(yīng)用,而這些都可以成為科學(xué)界未來努力的方向。例如我們可以高效地合成糖類等有機(jī)物,從而解決食品短缺的問題;另外,光合作用吸收二氧化碳而釋放氧氣,如果能夠大規(guī)模人工模擬,那么就可以降低大氣中的二氧化碳濃度,減少溫室效應(yīng)。不過,對(duì)于這些應(yīng)用還有許多技術(shù)難關(guān)有待突破,“特別是如果想模擬自然界的光合作用來獲得氧氣和糖的話,最困難的應(yīng)該在于如何模仿葉綠體內(nèi)極為復(fù)雜的酶系統(tǒng),持續(xù)、高效地將二氧化碳合成糖類。”郗旺說。
無論如何,畢竟太陽能在人類可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)是取之不盡、用之不竭的,所以我們有理由相信,在對(duì)光合作用的利用上,未來,人類定能大有作為。
離子色譜儀相關(guān)文章:離子色譜儀原理
評(píng)論