光合作用的升级版:人工叶片能为地球供能吗?

一片叶子已经悄悄地执行同一套化学反应大约三十亿年了:吸收太阳光、水和二氧化碳,把它们转化为糖和氧气。地球上每一条食物链最终都依赖于这个反应。而如果从正确的角度看这套化学反应,它也是一座太阳能驱动的燃料工厂——正是这第二种描述,是新一代“人工叶片”装置正试图复制的。

GCSE核心

真实的叶子究竟做了什么

光合作用有两个阶段。在第一阶段,叶绿素捕获光能,并利用它分解水分子——释放氧气作为副产物,并在细胞内产生携带能量的分子。在第二阶段,这些储存的能量被用来从空气中提取二氧化碳,并把它组装成葡萄糖。分解水这一步是对能源技术最重要的部分:这是一种利用太阳光从水中提取氢气的清洁方式,整个过程完全不涉及化石燃料。

A-Level拓展

人工叶片改变了什么

人工叶片是一种制造出来的装置——通常是覆盖着催化材料的半导体——它完成同样的基本把戏:吸收太阳光,利用这种能量把水分解成氢气和氧气。它完全跳过制糖这一步,直接把氢气收集为燃料,因为氢气可以燃烧或通过燃料电池按需释放能量,而太阳光本身只有在太阳升起时才会到来,做不到这一点。

这很重要,因为它解决了太阳能最大的限制:储存。太阳能电池板产生的电力必须在生产出来的那一刻使用,否则就会损失。产生氢气的人工叶片制造出一种可以储存在罐子里、通过管道输送,或几个月后再燃烧的燃料——使用的正是已经为天然气建好的那种基础设施。

为什么它还没有取代化石燃料

分解水最有效的催化剂往往是稀有或昂贵的金属,而这些装置目前把太阳光转化为可用燃料的比例,低于一块好的太阳能电池板把太阳光转化为电力的比例。自2010年代以来的研究已经大幅提高了效率,并转向使用更便宜、更丰富的催化材料,但要把人工叶片制造到能显著取代化石燃料的规模,仍然需要进一步的效率提升和实质性的成本降低。这是一场真正活跃的研究竞赛,不是一个等待部署的已解决问题。如果您或您的孩子想要真正理解一项真实能源技术背后的生物学和化学——而不仅仅是应试版本的光合作用——这正是我们的GCSE生物学课程和A-Level课程所建立的基础,您可以在这里查看完整的学习路径。