人造光合作用新进展：阳光转化成零排放燃料

据国外媒体报道，一种用二氧化钛制成的新薄膜镀层，能更加有效地把阳光转化成零排放燃料，相关论文发表在最新一期的《科学》杂志上。美国加州理工学院专门研究太阳能燃料的化学教授、这篇论文的作者内森-刘易斯表示，这一发现促使人造光合作用的梦想距离变成现实更近一步。

太阳能电池板能把阳光转变成可用的电能，但是可持续能源研究人员的主要目标，是把阳光转变成氢等耐贮存的化学燃料。刘易斯表示，植物能通过光合作用把阳光转变成化学能，但是这种自然过程的效率非常低。他说：“照射在植物上的阳光的能量，只有不到1%被储存在植物的生物量里。因此我们正在设法打造一个比光合作用的效率高10倍的系统，除此以外，它还要很耐用、持续时间长，而且很划算。”他们的目标是让安装在屋顶和田野里的太阳能发电机直接为汽车、建筑物和工厂生产出液体或者气体燃料。然而刘易斯表示，迄今为止在人造光合作用方面“取得的成功非常有限”。

典型的太阳能燃料发电机不仅能还原水，生成氢燃料，而且它能氧化水，生成氧，氧又能被用来燃烧燃料，生成更多水。刘易斯称，名叫光电阳极的一种半导体是生产氧所必须的，但是在生产一台太阳能燃料发电机时，这往往会变成一个弱点。“把水氧化成氧一直是个令人头痛的大问题，因为几乎所有普通半导体材料都生锈，因此它们不但没有成功氧化水，而是氧化了它们自己。”他表示，曾有各种尝试试图给光电阳极做镀层，用来防止它生锈，但是到目前为止，这些努力不是未能成功阻止半导体生锈，就是完全阻止了电流穿过光电阳极。“我们已经找到一种可以避免这些问题的方法，至少在实验室的时间尺度上已经取得了成功。

该研究由美国能源部资助，刘易斯及其同事已经使用无定形二氧化钛打造出一种特殊的薄膜镀层，以确保光电阳极能有选择地氧化水。这种二氧化钛镀层是白油漆或者遮光剂采用的一种化学物质的导电版本。刘易斯说：“借助名叫原子层沉积的方法，把它一层一层地铺在光电阳极的上面。”这种镀层允许电流穿过光电阳极，同时还能防止它受腐蚀。以前尝试给光电阳极做镀层的努力，产生氢和氧的时间只能持续几秒钟。与之相比，他及其同事已经操作他们的人造光合作用系统长达100小时，连续不断地模仿阳光，而且这段时间的氧和氢产量仅减少10%。刘易斯称，他们还需要通过进一步研究，确定该系统如何才能失灵等问题。不过他表示，这种镀层不仅有望在硅上起作用，而且有望在其他普通半导体上起作用，其中包括砷化镓和磷化镓。“最好的结果是它对材料没要求。”他称，这意味着以前在研制过程中因为不稳定而被弃的很多材料，现在都可以重新考虑用来制造太阳能燃料发电机。