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[交流] Science:模拟光合作用产生石油替代能源

模拟光合作用产生石油替代能源

据国外媒体报道，美国麻省理工大学的科学家日前在实验室内再现了光合作用的过程，在整个过程中光合作用将水分解成氢和氧，并产生了可供燃烧的氢气和氧气。该实验的意义在于光合作用产生的能量能够被人类利用，这种技术将引发一场太阳能使用革命，并补偿煤炭，石油等不可再生资源的损耗。这两名科学家名叫诺塞拉（Daniel Nocera）和卡南（Matthew Kanan），他们找到了一种简单实惠的方法将水分解成氢气和氧气，这种方法的原理和光合作用差不多，只是将太阳能转化了可燃烧的氢气和氧气。

光合作用广泛存在于自然界，叶绿体收集太阳光能，将水和二氧化碳转化为有机物（首先是葡萄糖），并释放出氧气。但这只是最终结果，整个过程一开始是将水和二氧化碳气转化为氧，自由的质子和电子。在光合作用中产生了两个化学反应，叶绿素分子失去两个电子，水分子发生分解。尽管光合作用在各种教科书中都得到了详尽的阐述，但是想人工实现这一过程却绝非易事，主要的问题在于缺少有效地电解水的媒介，在植物中充当这一媒介的是叶绿体。

众所周知，水能够电解成氢和氧，但整个过程毫无意义。为了提高这一性能，化学家们提供了能促使反应在更低电压情况下进行的催化剂。目前只有钌和铂能充当这种媒介，当然这两种金属都很昂贵，除此之外，反应要进行还需要特定的温度条件和气压。

诺塞拉和卡南找到了加速水电解的另一个好方法。他们把铟和锡的氧化物做成的电极放置在钴离子和磷酸钾的水溶液中，然后在溶液中通入太阳能电池的电流，这样相当于叶绿体的触媒就产生了。与此同时，水分解成氧气和自由的氢离子，这些氢离子聚集在电极上，并在那里形成氢气。白天，用通常方法获得的太阳能一部分可用于日常所需要，一部分用来将水分解成氢气和氧气并将氢气储存起来。晚上，氢气和氧气转化为燃料用来发电。

自由的氢离子和氧能够转化为燃料要素用来发电。整个过程发生在正常的大气压环境和温度内。媒介中的物质在反应过程中失去了自己的特性，当反应结束时又恢复到原来的样子。这和自然界的叶绿素一样。诺塞拉说：“我们的研究证明，能够使用相对便宜的媒介，并以此为基础在通常条件下得到光合作用的光能”。科学家们已经为此制定了Powering the Planet项目，并开始了进一步的研究工作。伦敦大学帝国理工学院的巴伯（James Barber）认为，实验实内模拟光合作用的过程是利用太阳能历史上的一个巨大创举，这将使氢气生产成为可能，并使太阳能使用步入新的时代。他们的这一研究成果近日已刊登在《科学》杂志上，但是具体的反应细节作者并没有透露.

（《科学》（Science），DOI: 10.1126/science.1162018，Matthew W. Kanan and Daniel G. Nocera）

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