人造树叶的未来:污水+阳光=能量
在2013年举行的美国化学学会(American Chemical Society)第245次全国会议暨博览会上,丹尼尔·诺塞拉(Daniel Nocera)再一次展示了他们在人造树叶方面最新的研究成果。他表示:“我们发现了一个出人意料的事实:我们为人造树叶研制的一些催化剂被发现拥有‘自愈’能力,就好像他们是活的一样。这种新特性的意义十分重大,它的出现消除了我们对人造树叶应用方面的许多顾虑。”
诺塞拉和他的团队希望,那些用不上电的偏远地区和不发达国家人民能够依仗人造树叶拥有“个性化”的私人电站。该团队原先的成果是:不到1夸脱(1.14升)的饮用水加上人造树叶,就足以连续24小时提供100瓦功率的电源。而他们在人造树叶催化剂上发现的自愈能力,则消除了人造树叶对水质的要求——不再需要饮用级别的纯净水,污水也可以。这让人造树叶变得更加像天然树叶了。
“很多人研发的能源生成设备都过于复杂、昂贵,很难大规模生产应用。我们的人造树叶简单、廉价,关键是能够解决问题。我认为,人造树叶的出现会改变整个行业的格局。”
人造树叶的原理很简单,由一块普通的硅太阳能电池将光能转化为电能;在催化剂与电流的共同作用下,与设备接触的水分子再被电解为氢气与氧气。就目前的人造树叶而言,待克服的较大困难之一是转化效率低下,光能转化率不足4.7%。而在最近的一份研究报告中,诺塞拉和他的团队证明,现有的科技水平可以让人类将这个数字提高到16%甚至更高,而且这类所谓的“理论最高值”经常被后人在实践中突破。
先前版本的人造树叶之所以需要纯净水,是因为污水中的细菌会在树叶表面形成一层生物膜,阻碍氧气和氢气的生成。“催化剂的自我复原能力使得人造树叶在含有细菌的污水中也能照常工作。”诺塞拉说道,“我们找到了一种办法,将催化剂的表面扭曲化,这样就令其表面变得不光滑,使细菌无法在上面形成生物膜。然后催化剂的自愈能力可以使它通过重组回到扭曲前的工作状态。”
诺赛拉还表示,全世界目前大概有30亿人居住在缺乏传统电力供应和分销系统的地区,他们都需要人造树叶这样的清洁、便捷且廉价的能源来源。而目前,第三世界国家中有近10亿人口缺少洁净的水供给,这就使得赋予人造树叶在污水中工作的能力显得十分重要。“这种供能方式就像吃快餐,我们希望能够大规模大批量地生产某种廉价设备。只要能解决问题,效率低一些也没关系。如同计算机产业从大型计算机发展至个人笔记本,能源供给也会顺应个人化趋势。”诺塞拉说道。
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