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高效率人造樹葉技術(shù)：不會(huì)枯萎、無(wú)需土壤，超越自然光合
文章來(lái)源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-08-12 11:28:21
在最新的研究中，HZB太陽(yáng)能燃料研究所的團(tuán)隊(duì)探索了光電化學(xué)電池（PEC電池）在高壓環(huán)境下水解的性能。通過(guò)將PEC流動(dòng)電池加壓至1到10巴，他們發(fā)現(xiàn)增加運(yùn)行壓力可顯著提升設(shè)備效率。實(shí)驗(yàn)和模型分析顯示，在8巴的壓力下，總能量損失減半，效率相對(duì)提高5-10%。這一改進(jìn)主要?dú)w功于氣泡尺寸減小，從而減輕了光學(xué)散射損失并降低了產(chǎn)品交叉現(xiàn)象。研究建議6-8巴為PEC電解槽的最佳工作壓力范圍，以最大化效率。這項(xiàng)研究不僅為PEC電池的優(yōu)化提供了新的方向，而且其多物理場(chǎng)模型對(duì)提高其他電化學(xué)和光催化系統(tǒng)的效率也具有指導(dǎo)意義。



新技術(shù)：“人造樹葉”的誕生與發(fā)展



在尋求可持續(xù)能源解決方案的道路上，“人造樹葉”這一創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它的出現(xiàn)源于對(duì)植物光合作用的深入研究和模擬，旨在將陽(yáng)光、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的能源。



“人造樹葉”的概念最早可以追溯到多年前，科學(xué)家們一直致力于探索如何模仿自然界中植物的光合作用機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)高效的能源轉(zhuǎn)化。經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和研究，各種類型的“人造樹葉”逐漸嶄露頭角。早期的嘗試雖然面臨諸多挑戰(zhàn)，如材料的稀缺性、穩(wěn)定性差以及效率低下等問(wèn)題，但為后續(xù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。







隨著技術(shù)的進(jìn)步，“人造樹葉”的性能不斷提升。如今，它已經(jīng)不再是一個(gè)遙不可及的科學(xué)幻想，而是逐漸成為現(xiàn)實(shí)中具有潛力的能源轉(zhuǎn)換裝置。其原理是通過(guò)特殊的材料和結(jié)構(gòu)，吸收陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化為電能或化學(xué)能，從而實(shí)現(xiàn)水和二氧化碳的轉(zhuǎn)化。



原理與結(jié)構(gòu)：“人造樹葉”的內(nèi)在機(jī)制



“人造樹葉”的核心原理源于對(duì)植物光合作用的精妙模仿。就如同植物利用太陽(yáng)光將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為養(yǎng)分一樣，“人造樹葉”也能借助陽(yáng)光、水和二氧化碳來(lái)產(chǎn)生能源。



從結(jié)構(gòu)上看，“人造樹葉”通常由多層材料組成。其中，光吸收層起著關(guān)鍵作用，它如同植物中的分子，能夠高效地收集陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化為電子。而催化層則類似于植物中的葉綠素，利用電子促進(jìn)水和二氧化碳之間的反應(yīng)，生成如乙醇、丙醇等有用的化學(xué)物質(zhì)。此外，還有其他輔助層，負(fù)責(zé)保護(hù)、隔離和傳導(dǎo)等功能，共同保障“人造樹葉”的穩(wěn)定運(yùn)行。



以常見(jiàn)的“人造樹葉”為例，其光吸收層往往采用特殊的半導(dǎo)體材料，能夠最大限度地捕獲太陽(yáng)光中的能量。催化層則包含精心設(shè)計(jì)的催化劑，確保反應(yīng)的高效進(jìn)行。這些材料的協(xié)同作用使得“人造樹葉”能夠在溫和的條件下實(shí)現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)化。



與傳統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換方式相比，“人造樹葉”具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，它能夠直接將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，減少了中間環(huán)節(jié)的能量損失。其次，其反應(yīng)過(guò)程相對(duì)清潔環(huán)保，不會(huì)產(chǎn)生大量的污染物。再者，“人造樹葉”的結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，便于安裝和使用，具有良好的應(yīng)用前景。



性能與優(yōu)勢(shì)：“人造樹葉”的獨(dú)特魅力



“人造樹葉”在性能方面展現(xiàn)出了令人矚目的優(yōu)勢(shì)，使其在能源領(lǐng)域脫穎而出。







其一，高效率是其顯著特點(diǎn)之一。通過(guò)先進(jìn)的材料和設(shè)計(jì)，“人造樹葉”能夠?qū)崿F(xiàn)較高的能源轉(zhuǎn)換效率。例如，利用液態(tài)金屬催化劑，能夠在光合作用過(guò)程中大幅提高能源轉(zhuǎn)化效率。



其二，穩(wěn)定性也是其重要優(yōu)勢(shì)。液態(tài)金屬催化劑具有良好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，使得“人造樹葉”在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中能夠保持穩(wěn)定的性能，減少了維護(hù)和更換的成本。



其三，靈活性使得“人造樹葉”能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)調(diào)整液態(tài)金屬的形狀和結(jié)構(gòu)，可以精準(zhǔn)地調(diào)控光合作用的過(guò)程，滿足各種特殊需求。



其四，可集成性為“人造樹葉”的廣泛應(yīng)用提供了可能。它可以與現(xiàn)有的能源系統(tǒng)，如太陽(yáng)能光伏發(fā)電等進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多種能源的互補(bǔ)和優(yōu)化，進(jìn)一步提高能源利用的效率和可靠性。



此外，與傳統(tǒng)的薄膜制備技術(shù)相比，“人造樹葉”的新技術(shù)具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和光生電荷收集能力。例如，使用半導(dǎo)體材料釩酸鉍的嵌入式光電極活性相比傳統(tǒng)的非嵌入式光電極高出2倍，且長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作120小時(shí)后幾乎無(wú)活性衰減。同時(shí)，其原材料易回收等特點(diǎn)也符合可持續(xù)發(fā)展的要求。



國(guó)際研究進(jìn)展：全球范圍內(nèi)的探索與突破



在全球范圍內(nèi)，“人造樹葉”的研究正呈現(xiàn)出一片火熱的景象。各國(guó)的科學(xué)家們紛紛投身于這一領(lǐng)域，不斷取得新的突破和進(jìn)展。



早在1998年，美國(guó)科羅拉多州國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的約翰·特納博士就研制出了世界上第一片“人造樹葉”。然而，當(dāng)時(shí)所使用的材料稀有且昂貴，穩(wěn)定性也不佳，生命周期短暫。但這一開創(chuàng)性的工作為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。



2016年，皇家藝術(shù)學(xué)院的研究生朱利安·梅爾基奧里利用蠶絲纖維的穩(wěn)定性，將從植物中提取的葉綠體嵌入蠶絲蛋白中，制造出了新型的“人造樹葉”——“Silk Leaf”。這種“人造樹葉”在工作效率上較普通樹葉提高了49%，僅需陽(yáng)光和水就能實(shí)現(xiàn)自主呼吸。



2023年3月，歐盟“A-LEAF”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在《能源與環(huán)境科學(xué)》雜志上發(fā)表成果，他們研制出的“人造樹葉”系統(tǒng)能模仿自然界的光合作用，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為可持續(xù)燃料，創(chuàng)下10%的太陽(yáng)能—燃料轉(zhuǎn)化效率新紀(jì)錄，為能源轉(zhuǎn)型提供了新的思路和方案。



在這場(chǎng)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，中國(guó)也積極參與并取得了一定的成果。2020年，中國(guó)科學(xué)院院士、瑞典皇家工程院院士孫立成全職回國(guó)，就職于西湖大學(xué)人工光合作用與太陽(yáng)能燃料中心，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于“人造樹葉”的研究。回國(guó)后的三年里，團(tuán)隊(duì)不斷壯大，并在生產(chǎn)綠氫方面取得了階段性成果，為未來(lái)的能源發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。



“人造樹葉”在未來(lái)能源領(lǐng)域的發(fā)展前景



“人造樹葉”在未來(lái)能源領(lǐng)域具備極為廣闊且令人充滿期待的發(fā)展前景，具體體現(xiàn)于多個(gè)方面。



首先，在能源供應(yīng)的可持續(xù)性方面，隨著全球能源需求的持續(xù)攀升，傳統(tǒng)化石能源儲(chǔ)量有限且不可持續(xù)的問(wèn)題愈發(fā)突出。“人造樹葉”能夠借助豐富的陽(yáng)光、水和二氧化碳來(lái)制造能源，為化解能源短缺的難題提供了一條可持續(xù)的路徑，有助于減少對(duì)傳統(tǒng)高污染、不可再生的化石燃料的依賴，進(jìn)而減輕能源供應(yīng)的壓力以及對(duì)環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)。



其次，就環(huán)境友好性而言，“人造樹葉”在生產(chǎn)過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，還能對(duì)二氧化碳進(jìn)行消耗，這對(duì)于緩解全球氣候變化有著積極作用。并且，它相較于傳統(tǒng)能源生產(chǎn)方式，不會(huì)排放諸如硫化物、氮氧化物等污染物，對(duì)環(huán)境的污染極小。



再者，在能源轉(zhuǎn)化效率方面，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，“人造樹葉”的能源轉(zhuǎn)化效率有望進(jìn)一步提升，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能更高效的利用。同時(shí)，它能夠生產(chǎn)多種形式的能源，比如氫氣、醇類等，以滿足不同領(lǐng)域的能源需求。



此外，“人造樹葉”還具有靈活性和適應(yīng)性的優(yōu)勢(shì)。它能夠進(jìn)行小規(guī)模的分布式能源生產(chǎn)，減少能源傳輸過(guò)程中的損耗。而且，它可以在各種地理和氣候條件下運(yùn)行，不受地域限制，適用場(chǎng)景廣泛。



“人造樹葉”還能夠與現(xiàn)有的能源系統(tǒng)相融合，發(fā)揮互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。例如，它可以與太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等可再生能源系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建更穩(wěn)定、可靠的能源供應(yīng)體系。其所產(chǎn)生的能源也可以作為一種有效的儲(chǔ)能方式，平衡能源供需的波動(dòng)。



同時(shí)，不斷涌現(xiàn)的新型材料將推動(dòng)“人造樹葉”的技術(shù)創(chuàng)新，提升其性能和穩(wěn)定性。隨著技術(shù)的成熟和大規(guī)模生產(chǎn)，制造成本有望大幅降低，增強(qiáng)其在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。此外，全球各國(guó)為達(dá)成碳中和目標(biāo)，會(huì)加大對(duì)清潔能源技術(shù)的政策扶持和資金投入，“人造樹葉”有很大機(jī)會(huì)從這些政策中獲益，從而加速其發(fā)展和推廣進(jìn)程。



不過(guò)，在“人造樹葉”實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用之前，仍然需要克服一些難題，比如進(jìn)一步提升效率、降低成本、增強(qiáng)穩(wěn)定性和耐久性等。但總體而言，“人造樹葉”在未來(lái)能源領(lǐng)域的發(fā)展前景相當(dāng)樂(lè)觀，極有可能成為推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。



挑戰(zhàn)與未來(lái)：“人造樹葉”的前行之路



盡管“人造樹葉”技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的潛力，但要實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用和商業(yè)化，仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。



首先，成本問(wèn)題是當(dāng)前的一個(gè)主要障礙。目前，“人造樹葉”的生產(chǎn)和研發(fā)需要投入大量的資金，導(dǎo)致其成本相對(duì)較高。這使得在大規(guī)模推廣和應(yīng)用方面存在困難，需要進(jìn)一步降低成本，提高生產(chǎn)效率，以增強(qiáng)其在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。



其次，技術(shù)難題仍有待攻克。在穩(wěn)定性和耐久性方面，“人造樹葉”還需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。如何確保其在長(zhǎng)期運(yùn)行中保持高效的性能，以及在不同環(huán)境條件下的可靠性，是需要深入研究的關(guān)鍵問(wèn)題。



此外，相關(guān)的政策和法規(guī)也需要逐步完善，以支持“人造樹葉”技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。同時(shí)，加強(qiáng)公眾對(duì)這一新技術(shù)的認(rèn)知和理解，促進(jìn)社會(huì)各界的接受和支持，也是推動(dòng)其發(fā)展的重要因素。



然而，盡管面臨重重挑戰(zhàn)，“人造樹葉”的未來(lái)依然充滿希望。隨著科研投入的不斷增加，技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，以及各方的共同努力，相信在不久的將來(lái)，“人造樹葉”將能夠克服現(xiàn)有障礙，成為主流的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)之一，為全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

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