姓名:張志彪? ? ? ? ? 學(xué)號(hào):16050120102
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【嵌牛導(dǎo)讀】如今社會(huì)發(fā)展迅速拥褂，人類科技需要的能源越來(lái)越多，然而世界上的能源量是有限的压怠，為了長(zhǎng)久的發(fā)展映砖，就必須要解決能源危機(jī)纫雁。所以現(xiàn)在社會(huì)上創(chuàng)造出了“人工樹(shù)葉”來(lái)解決這一問(wèn)題啦吧。
【嵌牛鼻子】? 光合作用? ? ? 發(fā)電
【嵌牛提問(wèn)】人工樹(shù)葉是什么绿店？它的基本原理是什么？發(fā)展前景怎么樣铸史？
【嵌牛正文】人工樹(shù)葉是一種如撲克牌大小的片狀材料鼻疮，復(fù)制了自然界中植物利用陽(yáng)光將水、二氧化碳轉(zhuǎn)化成氧氣和碳水化合物類燃料的過(guò)程琳轿。使用方法也非常簡(jiǎn)單：將它放在水中判沟，暴露在太陽(yáng)光下震贵，即可將水有效地分解為氧氣和氫氣，這些氣體再被輸送到一個(gè)分離的燃料電池中儲(chǔ)存并發(fā)出電力水评。
? ? ? ? 植物是通過(guò)光合作用獲取生長(zhǎng)所需的能量的。簡(jiǎn)單地講媚送，樹(shù)葉中有兩套系統(tǒng)：光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)II中燥。光系統(tǒng)Ⅰ負(fù)責(zé)吸收二氧化碳，生成植物生長(zhǎng)需要的有機(jī)物塘偎。光系統(tǒng)II負(fù)責(zé)吸收太陽(yáng)光疗涉，并將水分解為氧氣，同時(shí)產(chǎn)生質(zhì)子和電子吟秩。事實(shí)上咱扣，地球上95%的氧氣來(lái)源于這一過(guò)程，而產(chǎn)生的電子和質(zhì)子將會(huì)參與到與二氧化碳的反應(yīng)中涵防，從而生成淀粉及糖類有機(jī)物用于植物生長(zhǎng)闹伪。當(dāng)然，這中間還涉及許多復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程壮池，在這我們不再詳細(xì)敘述偏瓤。
? ? ? ? “人工樹(shù)葉”，其核心正是模仿了樹(shù)葉的這一過(guò)程——通過(guò)一種化學(xué)催化材料椰憋，將水在一定的電壓下高效地電解為氧氣厅克，同時(shí)產(chǎn)生質(zhì)子和電子;產(chǎn)生的質(zhì)子與電子可以結(jié)合，生成氫氣橙依，提供一種清潔的能源证舟。在這一過(guò)程中所需的電力，將由硅太陽(yáng)能電池供給窗骑。
? ? ? ? 諾切拉教授發(fā)明的核心就在于他們發(fā)現(xiàn)了高效廉價(jià)的電解水的電極催化材料女责，從而使得這一過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性大大增加，讓規(guī)幕塾颍化應(yīng)用成為可能鲤竹。
? ? ? ? 2013年，諾塞拉在美國(guó)麻省理工學(xué)院化學(xué)系從事研究工作昔榴。他曾經(jīng)指出辛藻，人造樹(shù)葉的想法來(lái)自化學(xué)家早些年的想象，終有一天會(huì)發(fā)現(xiàn)“植物們守護(hù)著的秘密”互订。諾塞拉說(shuō)吱肌，最重要的秘密是水分解成氫氣和氧氣的過(guò)程。在人造樹(shù)葉兩面分別產(chǎn)生氫氣和氧氣的薄膜中間夾著日光收集器仰禽。將人工樹(shù)葉放入陽(yáng)光照射下的水中氮墨，人造樹(shù)葉周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生氣泡纺蛆，釋放出的氫氣能用于為燃料電池產(chǎn)生電力。這些能自給自足的廉價(jià)供能單位规揪，對(duì)需要電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)和發(fā)展中國(guó)家很有吸引力桥氏，但迄今為止的設(shè)計(jì)都依賴像鉑那樣昂貴的金屬和高成本的制造工藝上。
? ? ? ? 為了使這些設(shè)備得到更廣泛的應(yīng)用猛铅，諾塞拉將用于產(chǎn)生氫氣的催化劑鉑用鎳鉬鋅合金替代字支。在葉子的另一面，有一層用鈷做的薄膜用來(lái)產(chǎn)生氧氣奸忽。諾塞拉指出堕伪，所有這些材料在地球上都十分豐富，不像稀有昂貴的金屬鉑栗菜、貴金屬氧化物和已經(jīng)被其他人使用過(guò)的半導(dǎo)體材料欠雌。
? ? ? ? 不久后，諾塞拉從麻省理工學(xué)院來(lái)到哈佛大學(xué)疙筹，便和希爾韋開(kāi)始合作富俄。他們?cè)凇皞€(gè)性化的能源”或制造能源本地化的理念上達(dá)成一致，認(rèn)為能源本地化將在發(fā)展中國(guó)家具有吸引力而咆。這是相對(duì)于當(dāng)前的能源系統(tǒng)蛙酪，比如石油需集中生產(chǎn)，然后送到加油站的制造能源方式翘盖。
? ? ? ? 事實(shí)上桂塞，關(guān)于“人工樹(shù)葉”的研究可以追溯到十多年前，但由于往往利用鉑馍驯、釕等貴金屬作為催化材料阁危，而且壽命短暫，因此很難進(jìn)一步進(jìn)行規(guī)奶保化應(yīng)用狂打。而諾切拉的研究小組則采用相對(duì)廉價(jià)的鈷、鎳等金屬化合物以及磷酸鹽作為電極催化材料混弥，不僅催化效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料趴乡，而且壽命更長(zhǎng)、更穩(wěn)定蝗拿，使成本大大降低晾捏。
? ? ? ? 2015年3月，美國(guó)哈佛大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院哀托、哈佛醫(yī)學(xué)院和威斯生物工程研究所受樹(shù)葉的啟發(fā)惦辛，創(chuàng)造出一種利用細(xì)菌將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為液體燃料的“人造樹(shù)葉”系統(tǒng)，使用催化劑使陽(yáng)光將水分解為氫氣和氧氣仓手，設(shè)計(jì)一種細(xì)菌將二氧化碳加氫轉(zhuǎn)化為液體燃料異丙醇胖齐。該研究結(jié)果發(fā)表在美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上玻淑。
? ? ? ? 首先，“人造樹(shù)葉”的儲(chǔ)能效率非常高呀伙。舉個(gè)例子补履，電池的能量密度只能達(dá)到約0.1-0.5MJ/kg，超級(jí)電容器僅為約0.01MJ/kg剿另，而氫氣的能量密度卻高達(dá)140MJ/kg干像。通俗點(diǎn)說(shuō)，同樣質(zhì)量的氫氣儲(chǔ)存的能量是電池的1400倍驰弄，是超級(jí)電容器的14000倍。利用氫氣化學(xué)儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)是多么明顯啊!其次速客，在這一過(guò)程中戚篙，所消耗掉的僅僅是水，因此也被形象地稱為“水燃料”溺职。事實(shí)上岔擂，即使是這些水在隨后的放電過(guò)程中也會(huì)被再生出來(lái)，因此這一過(guò)程所需的僅僅是太陽(yáng)光照而已浪耘÷伊椋“人工樹(shù)葉”并非一種新的獲取能源的方式，其核心是一種高效的儲(chǔ)存能源的方法七冲。
? ? ? ? 所謂的“人工樹(shù)葉”其實(shí)還存在著較大的局限性痛倚。首先，“人工樹(shù)葉”并未真正實(shí)現(xiàn)自然界早已運(yùn)行上億年的樹(shù)葉的全部功能澜躺，它僅僅模仿了樹(shù)葉中光系統(tǒng)II中的局部功能蝉稳。其次，它的運(yùn)行也要依賴太陽(yáng)能電池和燃料電池來(lái)完成掘鄙。再次耘戚，它還需要新型的廉價(jià)的壓縮氣體系統(tǒng)以儲(chǔ)存所產(chǎn)生的氫氣和氧氣，然后用于發(fā)電操漠。因此收津，要把這一發(fā)明真正規(guī)模化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走浊伙。
? ? ? ? 這一發(fā)明的核心在于將電能高效地以氫能的形式儲(chǔ)存起來(lái)撞秋。因此，其電力的來(lái)源也將不會(huì)僅局限于太陽(yáng)能電池嚣鄙，也可以是風(fēng)能部服、地?zé)崮堋⒑四苻挚踔粱剂系幕瘜W(xué)能等廓八。比如說(shuō)奉芦，很多人參觀風(fēng)力發(fā)電廠時(shí)會(huì)奇怪為什么有些風(fēng)機(jī)并不運(yùn)轉(zhuǎn)，這并不是因?yàn)槲覀冇刑嗟碾娏α司珲澹且驗(yàn)殡娋W(wǎng)無(wú)法承受這些多出來(lái)的電力声功。據(jù)報(bào)道，由于無(wú)處儲(chǔ)存宠叼，僅在美國(guó)先巴，去年一年就損失了25TWh的風(fēng)機(jī)潛在電力。而這一發(fā)明無(wú)疑將為解決這個(gè)問(wèn)題提供新的途徑冒冬。
? ? ? ? “人造樹(shù)葉”還有很大的發(fā)展空間伸蚯。也許在不遠(yuǎn)的將來(lái)，“人造樹(shù)葉”也能兼具光系統(tǒng)Ⅰ的功能：通過(guò)合適的化學(xué)反應(yīng)简烤，讓“人造樹(shù)葉”吸收二氧化碳生成有機(jī)物剂邮。在如今地球已不堪重負(fù)的今天，將廢棄有害的二氧化碳通過(guò)這種類似于光合作用的方式轉(zhuǎn)化成對(duì)人類有用的有機(jī)物(如糖横侦、醇類等)挥萌。
