人工光合作用：一瓶水为一间房子供能

lfjliu008

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, n- }" J# Z! ?- f8 U  R+ i+ F- I                   美国试验人工光合作用：一瓶水为一间房子供能

6 e: f+ G1 D9 C9 I        网易探索3月10日报道 去年美国刺激法案的一个有趣的副作用是，为美国能源高级研究计划局（ARPA-E）——类似于美国国防部高级研究计划局（DARPA）中关注能源的部门，但是是民用性质的机构——提供了4亿美元资助。同时在上周举行的首届能源高级研究计划局会议上，麻省理工学院（MIT）的一名化学家丹·诺塞拉（Dan Nocera）展示了他如何合理地将刺激资金使用在研究新的光合作用过程上。使用一种特殊的催化剂，仅需要阳光和一瓶水，新的光合作用过程就能将水分解成氧气和氢气，并能高效率地为一间房子供能。
* p9 \) r9 K7 e' W2 z0 z# y( ~( K像有机光合作用（organic photosynthesis）一样，诺塞拉的化学反应通过阳光将二氧化碳和水转化成氧气和能量。植物是以糖的形式产生能量，然而这种新的光合作用过程是以游离氢（free hydrogen）的形式产生能量。这种氢能够在燃料电池中与氧气再结合而生成电能，或者直接转化成液体燃料。
     大约4个小时的时间内，通过诺塞拉的催化剂处理的水能够产生30度（千瓦小时）的电能。此外，这种新的光合作用过程也很便宜。实际上，是如此便宜以致诺塞拉能够毫无问题地展望这一天的到来，即每间房子都能够通过这种新的光合作用产生自己所需的燃料和电能。
如果丹·诺塞拉实现了他的人工光合作用方式，那么一瓶饮用水将能够为一个发展中国家的家庭提供足够的能量。MIT的化学家以及太阳催化剂（SunCatalytix）公司的创始人，诺塞拉已经开发出一种基于钴的催化剂，使他能够通过与植物相同的方式储存能量：即分解水。
“几乎所有的太阳能都储存在分解水的过程中，”诺塞拉在3月2日的美国能源高级研究计划局会议上所作的就职演说里讲道。太阳催化剂公司是五家接受政府资助开发被称为“电燃料”的“直接太阳能燃料”的公司之一，他们受能源高级研究计划局——一个新成立的、致力于开发能源转化技术的高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency）——的资助。“我们通过模拟光合作用来进行大型的太阳能存储。”
; ~: D1 F8 A( \5 e- l+ p+ m      据诺塞拉称，他的新系统能够在无需特殊温度和压力要求的条件下，也无需在一杯水中侵蚀——即便是受污染的水——的情况下运行。“如果为了储存能量，你需要纯净水，那么纯净水将会把能量吸收，”诺塞拉说。“而我们却使用水坑里的水（指污染的水）。”实际上，诺塞拉已经使用来自波士顿查尔斯河（Charles River in Boston）的未经处理的水测试了他的雏形方案。同时这个新的光合作用过程很便宜，不需要像商业电解槽（electrolyzer）那样每千瓦电能耗资12000美元。“那样的话，将无法帮助改善美国的能源状况或者世界上的穷人。”
    通过由一个5米宽6米长的光伏阵列（photovoltaic array）产生的电能，诺塞拉宣称他能够在4小时内分解足够的水“来储存足够美国一般家庭”一天所需的能量，即30度多一点。“我们需要停止那种一次性制造大型能源系统为大众服务的做法。我们需要通过古老的美国式的方式一小步一小步地进行，然后再制造面向所有大众的系统。”

pmhpang007

如果丹·诺塞拉实现了他的人工光合作用方式，那么一瓶饮用水将能够为一个发展中国家的家庭提供足够的能量。
-----------但愿能早日有点进展, 这样又找到了新能源的突破点!
  [- G5 `; [* f0 M) d               还有, 千万别重复之前"水变油"的神话.

lfjliu008

能源危机, 随着经济发展会越来越实出.
' G$ y9 F: W7 i; M  T, H大家都在找新的突破口, 这是好事.
希望多点新的绿色能源.

lfjliu008

再转贴点资料.
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  人造光合作用-简介        
  人造光合作用光合作用广泛存在于自然界，叶绿体收集太阳光能，将水和二氧化碳转化为有机物（首先是葡萄糖），并释放出氧气。但这只是最终结果，整个过程一开始是将水和二氧化碳气转化为氧，自由的质子和电子。在光合作用中产生了两个化学反应，叶绿素分子失去两个电子，水分子发生分解。尽管光合作用在各种教科书中都得到了详尽的阐述，但是想人工实现这一过程却绝非易事，主要的问题在于缺少有效地电解水的媒介，在植物中充当这一媒介的是叶绿体。

9 T! e! t# c. N; f    众所周知，水能够电解成氢和氧，但整个过程毫无意义。为了提高这一性能，化学家们提供了能促使反应在更低电压情况下进行的催化剂。目前只有钌和铂能充当这种媒介，当然这两种金属都很昂贵，除此之外，反应要进行还需要特定的温度条件和气压。
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模拟光合作用储存太阳能的技术早在上世纪70年代初就进入了科学家的视线。几十年来，研究人员一直在尝试复制绿色植物分解水的方式。利用化学方式，科学家早已能够完成水的分解反应，但这些化学反应条件非常苛刻，温度很高，溶液具有腐蚀性很强的碱性，而且催化剂需要用到铂等稀有而昂贵的化合物。丹尼尔的设计就像光合作用一样，分解水的反应在室温下就可进行，溶液也没有腐蚀性，更重要的是催化剂非常便宜，可以很容易地得到氢气和氧气。
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    人造光合作用-最新进展        
! x5 o: I, |4 H+ x- r- E$ u    据美国“每日科学”网站2009年3月12日报道，美国加州大学伯克利分校的科学家，在这一领域取得了重大突破，找到了可使光合反应顺利进行的特殊催化剂。在此基础上，科学家期望彻底弄清光合作用的奥秘，使人工光合作用能大规模用于生产和生活。

   据国外媒体报道，美国麻省理工学院（MIT）的科学家日前在实验室内再现了光合作用的过程，在整个过程中光合作用将水分解成氢和氧，并产生了可供燃烧的氢气和氧气。该实验的意义在于光合作用产生的能量能够被人类利用，这种技术将引发一场太阳能使用革命，并补偿煤炭，石油等不可再生资源的损耗。这两名科学家名叫诺塞拉（Daniel Nocera）和卡南（Matthew Kanan），他们找到了一种简单实惠的方法将水分解成氢气和氧气，这种方法的原理和光合作用差不多，只是将太阳能转化了可燃烧的氢气和氧气。

    人造光合作用-催化物        
0 `( L/ {% n" ~! l4 z1 c研究人员已发现，特殊的蛋白质“光合体系Ⅱ”作为催化剂载体，起催化作用的是一种含锰的生化酶。在没有绿色植物这个光合作用载体的情况下，人们期望找到一种人工催化剂以替换“光合体系Ⅱ”。加州大学劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员正是找到了高效的催化剂——氧化钴纳米颗粒，实现了高转化率的光解反应，相关论文已发表在德国《应用化学》期刊上。
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8 o2 k' z8 @3 J- a$ \# B3 _这个系列实验是在加州大学劳伦斯伯克利国家实验室“太阳神”太阳能研究中心完成的，该研究中心由华裔科学家、诺贝尔奖获得者朱棣文创立。他也是劳伦斯伯克利实验室的主任。主要参加者是研究中心主任海因茨·弗雷和他的博士后、旅美华人学者焦锋（音）。弗雷介绍说，光解反应对催化剂要求极为苛刻，在经过无数次实验后，他们发现氧化钴纳米晶体既高效又快速，反应持久，也容易得到，正好能满足要求。

' ]6 S( w1 g0 ?$ l5 @最开始，他们用毫米级的氧化钴颗粒做实验，效果不理想。后来改用纳米级的氧化钴颗粒，欣喜地发现反应速度大大提高。弗雷表示，使用氧化钴纳米“团簇”（多个纳米束组成的团状结构）做催化剂的反应速度是毫米团簇的1600倍，每个团簇每秒约能裂解1140个水分子，反应功率（指每秒吸收的能量）与地面附近的太阳辐射能相当，约为每平方米1000瓦。

1 I* T4 v' U2 u/ A3 N    人造光合作用-前景        
2 G& z/ E' ^7 z& j! F# y    原理虽然找到了理想的催化剂，但研究人员表示，这可能是偶然之中的意外收获，还有很多问题有待解决，解决这些问题将有利于进一步提高催化效率。
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     研究人员使用较普遍的介孔矽（中间有孔洞的二氧化硅晶体）作为氧化钴载体，通过一种“湿性注入”的技术将纳米束植入其中。最理想的情况是直径约为８纳米、长50纳米的团簇，团簇中的纳米管互相连接，弯曲成直径约３５纳米的球体。但当使用其他形状的纳米团簇时，催化效率就又大大降低。弗雷猜测说，纳米团簇的形状可能对催化反应起决定作用。目前，弗雷与焦锋正在进行进一步实验，试图探明其中的机理。

    弗雷与焦锋的研究成果无疑给人工光合作用打了一针强心剂。因为在这之前，主要研究重点放在催化反应过程上，高效催化剂一直未能找到。弗雷表示，无论从催化剂的易得性、纳米团簇的稳定性、反应中所加的电压，还是酸碱度、温度方面来说，氧化钴的催化效率已同“光合体系Ⅱ”相当。研究人员的下一个任务是，建立一个切实可行的太阳能能量转换系统，将反应产生的氢气以无污染的方式转化成能量。
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% x" l, {4 O, e6 E; a. `    尽管取得了重大进展，但研究人员并不认为绿色能源近在眼前。“每日科学”的文章分析说，目前人工光合作用面临着三大难题：如何捕捉太阳能；如何以电子的形式将太阳能转运到反应中心；如何在光合作用的循环过程中补充电子。其中前两个难题已经基本得到了解决，但至今还不知道如何解决第三个难题。要解决这个问题最好的办法就是，彻底弄清光合作用的反应机理。
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: t% x3 {1 e2 c6 h5 [+ z9 E* u: |    光合作用的基本过程是在叶绿体内进行的。叶绿体吸收光子，并传导给叶绿素，使它释放出高能电子，用于将二氧化碳还原为糖。叶绿素分子每丢失１个电子，催化核心就会从水分子中抽取１个电子为其补充。这样，经过４轮电子转移，两个水分子转化为１个氧气分子、４个电子和４个氢离子，然后重新开始新一轮的循环。但在人工过程中很难实现电子补充，研究人员希望，在循环过程中将这一难题尽快攻破，到时人类就能像植物一样，将太阳光转化为可以利用的能量。