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麻省理工学院的化学家发明的催化剂，可以利用太阳光把水变成氢气。如果该过程能扩大规模，它可以使太阳能成为主要的能量来源。
今年五月，在一个满是科学家及美国政府能源官员的礼堂里，麻省理工学院的化学教授丹尼尔?诺西拉（Daniel Nocera）这样说道：“我将向你展示一些我从未向人展示过的东西，”他叫房屋管理员把灯光调暗，然后，开始播放一段视频。“你们能看到那个吗？”他指 着浸在水中的一条狭长材料上升起的泡沫，兴奋地问。“氧气正从这个电极中流出。”然后，他又有些神秘地说：“这是未来。我们得到了树叶。”
诺西拉展示的是一个从水中产生氧气的反应，就如绿色植物在光合作用中所做的那样，这是一项可能对能源争论产生深远影响的成就。在他研发的一种催化剂 的帮助下，该反应是分解水产生氢气最初也是最困难的一步。诺西拉相信，有效地从水中产生氢，能够克服阻碍太阳能成为重要电力来源的主要障碍之一：没有一种 节省成本的方法来储存太阳能电板收集的能量，以便在晚间或多云天使用。
绿叶的羡慕：麻省理工学院的化学家丹尼尔?诺西拉模仿了绿色植物在光合作用中分解水的步骤。
太阳能具有一种独一无二的产生大量清洁能源的潜力，不会导致全球变暖。但是，没有廉价的储存这种能量的方法，太阳能不能够大规模地取代化石燃料。在 诺西拉的方案中，太阳光能够分解水，产生多功能、易储存的氢燃料，之后这些燃料可以在内燃发电机中燃烧，或者在燃料电池中与氧气重新结合。更加雄心勃勃的 是，该反应能用于分解海水；在那种情况下，在燃料电池中运行的氢可以产生淡水及电力。
自从20世纪70年代早期，科学家就开始试着模仿光合作用储存来自太阳的能量。特别是他们曾试着复制绿色植物分解水的方法。当然，化学家已经可以分 解水。但是这一过程需要高温、苛刻的碱性溶液、或者稀有昂贵的催化剂，如铂。诺西拉制造的是一种廉价的催化剂，可以在室温、无腐蚀性化学物质的情况下，从 水中产生氧气，这与在植物中发现的优良条件相同。另外几种前景看好的催化剂，包括诺西拉研发的另一种，能够用来帮助完成这一过程并产生氢气。
诺 西拉看到了两种利用其突破的方法。第一种，传统的太阳能电板捕获太阳光并产生电力；接着，这些电力会启动一个电解槽设备，该设备使用他的催化剂分解水。第 二种方法将采用一套更接近地模仿树叶结构的系统。催化剂将与一种特殊的用来吸收阳光的染色分子并排；染料捕获的能量将会驱动水分解反应。两种方法都会将太 阳能转化为氢燃料，可以简便地储存并在夜间使用，或者在任何需要的时候。
诺西拉大胆地断言其改进的重要性，这是学院派化学家通常不愿意在同行面前表现的。事实上，许多专家都质疑他的系统能够怎样扩大规模，以及它会有多经 济。但是诺西拉没有表现出退让的迹象。“有了这个发现，我完全改变了对话，”五月，他对听众说。“所有旧的争论全都被扔到窗外去了。”
太阳能的黑暗面
太阳光是世界上最大的可再生能源潜在来源，但是这种潜力也可能轻易泡汤。不仅仅是太阳能电板不在夜间工作，而且在白天，当云朵从上空飘过时，产量也 会起起落落。这就是为什么如今大多数太阳能电板（公用事业单位在太阳能场建造的以及家庭和企业在屋顶安装的）都与电网连接。阳光充足的日子里，当太阳能电 板以峰值运行时，房屋的主人以及企业能够将多余的电力卖给公用事业单位。但是通常在夜间，或者云朵遮住电板的时候，他们不得不依赖电网。
这个系统能运作仅仅是因为太阳能对整个电力生产的贡献如此之小：它只能满足美国总需求的约1%。随着太阳能所做贡献的增长，其不可靠性将成为一个日益严重的问题。
如果太阳能发展到足够供应总电力的10%，公用事业单位就需要决定在高峰需求时有当云朵飘过该怎么办？加州伯克力的劳伦斯伯克力国家实验室 （Lawrence Berkeley National Laboratory）研究电力市场的科学家瑞安?怀瑟（Ryan Wiser）说。公用事业单位要么需要运营额外的天然气发电厂，能快速启动弥补损失的电力，要么他们就需要投资在能量储存上。当前，第一个选择更便宜，怀 瑟说：“电力储存太昂贵了。”
但是如果我们指望太阳能占总电力的比例超过20%，他说，它就开始贡献给基本负荷动力，满足最低需求所必需的电量。而基本负荷动力（目前大多数是由 煤发电厂供应的）必须以一个相对恒定的速率供应。出于这个目的，太阳能不能得到充分利用，除非它能够大规模地储存，一天24小时都能用，无论天气好坏。
简而言之，为了让太阳能成为一个主要的电力来源，就需要廉价的大量储存。而如今储存电力的方法不够规模，加州理工学院的化学教授内森?刘易斯 （Nathan Lewis）说。以最便宜的一种方法为例：用电将水抽上山，然后让水通过涡轮机产生电力。将一公斤的水抽高100米大约储存了1千焦耳的能量。相比之下， 一公斤的汽油大约储存了45000千焦耳的能量。用这种方法储存足够的能量需要大量的水坝和巨大的水库，每天抽空又填满。而且，在阳光尤其充足的地方，如 亚利桑那和内华达，找到那么多水都不容易。
同时，电池是昂贵的：它们会为一个典型的家庭太阳能系统增加一万美元的成本。而且尽管它们在改善，其所储存的能量仍然远远少于汽油和氢气这样的燃料 以化学键形式储存的能量。最好的电池每公斤储存300瓦时的能量，刘易斯说，而每公斤汽油储存13000瓦时。“数字明显说明，化学燃料是唯一的获得密集 能量储存的方法，”刘易斯说。在那些燃料中，氢气不仅仅有着比汽油更清洁的潜力，而且按重量算，它能储存更多的能量（大约为三倍），尽管因为是气体，它占 用更多的空间。
使用从太阳那儿获得能量的挑战在于，使这样的燃料廉价而高效。这就是诺西拉努力模仿光合作用的来由。
模仿植物
在真正的光合作用中，绿色植物利用叶绿素捕获来自太阳光的能量，然后用那些能量驱动一系列复杂的化学反应，将水和二氧化碳变成富含能量的碳水化合 物，如淀粉和糖。但是，让许多研究者感兴趣的主要是该过程的早期步骤，蛋白质结合物和无机催化剂帮助高效地将水分解成氧和氢离子。
烧杯中的光合作用：在一个复制了光合植物中发现的优良条件的实验装置中，丹尼尔?诺西拉展示了一种简便且有廉价 潜力的产生氢气方法。通上电压后，钴和溶液中的磷酸盐（左）聚集在一个电极上，形成一种催化剂，随着电子流出电极，水中释放出氧气。氢离子流过一个膜；另 一边，通过镍金属催化剂产生氢气（诺西拉还使用了铂催化剂）。
人工光合作用的领域开始得很快。20世纪70年代早期，东京大学的一名研究生藤岛昭（Akira Fujishima）和他的论文导师本多健一（Kenichi Honda）展示了由二氧化钛（白色涂料的组成部分）制成的电极，当暴露在来自500瓦的明亮氙灯光线中时，会缓慢地分解水。这个发现证实了光线可以用来 在植物以外分解水。1974年，北卡罗来纳大学教堂山分校的化学教授托马斯?迈耶（Thomas Meyer）展示了以钌为基础的染料暴露在光线中时，产生了化学变化，使它具有氧化水的潜力，或者从中拉出电子——水分解中关键的第一步。
归根结底，两种技术都不能被证明可行。二氧化钛不能吸收足够的太阳光，而迈耶的染料中，光诱导化学状态太短暂，没有用。但是，这些进步刺激了科学家们的想象。“你能够往前看，看到要往哪儿走，至少在原理上把它们整合起来，” 迈耶说。
在之后的几十年里，科学家们研究了植物吸收太阳光并储存能量的结构和材料。他们发现，植物精心设计了水分子、电子和氢离子（也就是质子）的流动。但 许多相关的精确机制仍然不得而知。然后，2004年，伦敦帝国学院的研究人员们确定了一组蛋白质和金属的结构，它们对于植物从水中释放氧是至关重要的。他 们展示了催化集合物的关键是一个蛋白质、氧原子、锰和钙离子的集合，以特殊的方式产生反应。
“我们一看到这一点，就可以开始设计系统，”诺西拉说，1984年以来，他一直致力于完全弄懂光合作用背后的化学。读到这个“线路图”，他说，他的团队开始以植物的方法管理质子和电子，但只使用比蛋白质更强健稳定的无机材料。
人工光合作用能提供一个可行的、储存产自太阳能的能量的方法，将人们的房屋从电网中解放出来。在这一计划中，来自太阳能电板的电力驱动电解槽，将水 分解为氢和氧。氢被储存起来；在夜间或多云的日子，它被装进燃料电池产生电力供应给电灯、电器甚至电动汽车。在阳光充足的天气，有些太阳能直接使用，绕过 制造氢的步骤。
太阳能独奏曲
最初，诺西拉并没有解决最大的挑战，从水中提出氧。相反，“就像学开车时需要练习轮胎，”他从相反的反应开始：将氧与质子电子结合起来形成水。他发现，某些以钴为基础的复杂化合物是这一反应很好的催化剂。因此当试着分解水的时候，他决定使用相似的钴化合物。
诺西拉知道，在水中应用这些化合物可能是个问题，因为钴会溶解。毫不奇怪，他说，“几天之内，我们意识到钴正从我们精心制作的化合物中掉落出来。” 第一次尝试失败了，他决定采取一个不同的方法。他测试了溶解的钴的催化活性，在水中加入一些磷酸盐帮助反应，而不是使用化合物。“我们说，让我们忘掉所有 精细的东西，直接使用钴，”他说。
实验进行得比诺西拉和他的同事们预想的要好。当浸在溶液中的电极通上电流，钴和磷酸盐在上面累积成薄膜，几分钟后，一个紧密的泡沫层开始形成。进一 步的测试证实，泡沫是分解水释放出的氧气。“这是好运气，”诺西拉说。我们没什么理由期待与捆绑在我们的某一种化合物中的钴相比，纯的钴和磷酸盐会有如此 好的效果。我不可能预测到。事实证明，从化合物中掉落出来的东西正是我们需要的。
“现在我们想要弄懂它，”他继续说。“我想知道为什么这层薄膜中的钴这么活跃。也许我能改善它，或者使用另一种更好的金属。”同时，他想开始与工程 师合作优化这一过程，并制造出一个高效的水分解电解槽，一个结合了产生氧和氢的催化剂的电解槽。“我们真的对基础科学很感兴趣。我们能否制造出在光合作用 的条件下发挥良好的催化剂？”他说。“现在答案是肯定的，我们能做到。现在我们真的得到了设计一个电解槽的技术。”
催化一场争论
诺西拉的发现引起了极大关注，却并不都是奉承。许多化学家发现他的说法夸大了；他们并不怀疑他的发现，但是他们怀疑这是否会带来他想象的结果。“这 是人工光合作用的答案的说法太疯狂了，” 托马斯?迈耶说，他曾是诺西拉的导师。他表示，尽管诺西拉的催化剂“可能被证明在技术上是重要的，”这种进步是“一个研究发现，”但“不能保证它能够扩大 规模或者甚至将它变得实用。”
许多批评家的异议围绕着诺西拉的实验室分解水的步骤不能像商业电解槽那样快。系统越快，生产一定量的氢和氧的商业单位就越小。而通常越小的系统越便宜。
比较不同催化剂的方法是看它们当处于效率最高阶段时的“电流密度”——即每平方厘米的电流。电流越高，催化剂产生氧气就越快。诺西拉报告的结果是每 平方厘米1毫安，尽管他说之后他达到了10毫安。商业电解槽大约运行在每平方厘米1000毫安。“至少到目前为止，他发表的东西永远不能用于商业电解槽， 那儿的电流密度要高800至2000倍，” 约翰?特纳（John Turner）说，他是科罗拉多州黄金镇的国家可再生能源实验室(the National Renewable Energy Laboratory)的研究员。
其他科学家质疑将太阳光变成电力，然后变为化学燃料，再回到电力的整个原理。他们建议，尽管电池储存的能量远少于化学燃料，它们却高效得多，因为在 使用电力制造燃料，然后用燃料产生电力的过程中，每一步都浪费能量。他们说，集中在改善电池技术或其他相似的能量储存形式上更好，而不是发展水电解以及燃 料电池。正如瑞安?怀瑟所说的，“（目前）电解效率不高，那么你为什么要做呢？”
人工树叶
然而，迈克尔?克拉泽尔（Michael Gratzel）可能有一种更聪明的方法，将诺西拉的发现变为实用。作为瑞士洛桑联邦理工学院的一名化学和化工教授，克拉泽尔说，诺西拉把新的催化剂第一个告诉了他。“他很兴奋，他带我去了一家餐厅，买了一瓶极贵的酒。”
1991年，克拉泽尔发明了一种前景看好的新型太阳能电池。它使用了一种含染料的钌，它就像植物中的叶绿素，吸收阳光，释放电子。然而，克拉泽尔的 太阳能电池中，电子并不引发水分解反应。取而代之的是，它们被一个二氧化钛薄膜收集，并受外部电路的指示，产生电力。现在，克拉泽尔想，他能把他的太阳能 电池和诺西拉的催化剂整合到一个设备中，捕获来自太阳的能量，并利用它分解水。
如果他是对的，这会是制造在各方面都与树叶相似的设备中重要的一步。它的原理是，克拉泽尔的染料将代替诺西拉系统中催化剂围绕其形成的电极。当暴露 在阳光中时，染料本身就能产生聚集催化剂所需的电压。“染料就像一根导电的分子线，”克拉泽尔说。然后催化剂在需要它的地方聚集，就在染料上。催化剂一旦 形成，染料吸收的阳光就驱动分解水的反应。克拉泽尔表示，与分开使用太阳能电板和电解槽相比，该设备更高效更廉价。
诺西拉正在研究的另一可能性是，他的催化剂能否用于分解海水。在最初的测试中，有盐存在的情况下，它表现良好，现在他正在测试，看它能否处理海水中的其他化合物。如果能够成功，诺西拉的系统就不仅仅能够处理能源危机；它还能帮助解决世界淡水短缺。
人工树叶和脱盐燃料生产系统听起来是很宏伟的计划。但是，对许多科学家来说，这样的可能性似乎是令人发狂的接近；寻找新能源技术的化学家被一个事实 嘲笑了几十年，即植物能轻易地利用阳光，将足够的材料转变为富含能量的分子。“我们随处可见这样的事，但我们却不能真正做到，”加州大学伯克利分校的化学 和材料科学教授保罗?阿利维撒托斯（Paul Alivisatos）说，他正领导着劳伦斯伯克力国家实验室的一项用化学方法模拟光合作用的努力。
但是很快，按照大自然自己的蓝图，人类就有可能利用阳光“从一杯水中制造燃料”，就像诺西拉说的那样。这个想法中有着任何化学家都能欣赏的优雅，以及任何人都应当发现的希望。
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