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核心提示
这恐怕是世界上最为奇怪的树叶了：它没有粗细不等的叶脉，取而代之的是各种电子元件；它也没有心形、扇形或是菱形这样的形状，而是像一张扑克牌那样单薄；甚至于，它连普通树叶常见的颜色都没有，看上去就像一块亮晶晶的遮光板。
但它却能像树叶那样进行光合作用。今年早些时候，美国麻省理工学院的丹尼尔·诺切拉博士曾公布了自己团队研发的人工树叶。在众人的瞩目下，一片人工树叶被放入3.7升水中，在阳光下迅速地产生了相当于一个发展中国家的家庭一天的能源需求。而这片叶子的一个令人欣喜的特点是其实用性，由于所用材料价格低廉，未来它有可能成为超市货架上的商品。
这个发明迅速引起了科学界乃至世界各国主流媒体的关注——它被认为是人类寻找替代能源的征程中一个里程碑式的发明，甚至有人认为这片小小的“树叶”可能将彻底解决未来的能源和与之相关的环境问题。
什么是人工树叶？
事实上，人工树叶是一个技术概念，并不专指某一片叶子。这种技术主要是模拟真实植物的光合作用原理：用人工材料制成小巧轻薄的片状，浸泡在水中，经过太阳光的照射，水被分解为氧气和氢气，这些气体储存起来可用于发电。所谓的“叶子”，只是一块高级的太阳能电池。
“要做到像叶子一样进行光合作用，并不意味着我们完全按照树叶来设计人工叶。” 伦敦帝国学院生物学家詹姆斯·巴伯解释说。他表示，“达·芬奇曾试图设计羽翼可以上下摆动的飞行器。但最终人类建造出的波音747及空中客车380与鸟完全不同，它们甚至飞得比鸟更好”。
丹尼尔·诺切拉研制的人工树叶就不以任何自然界中的树叶为原型。这位化学家、能源学家一直致力于这项在美国被称为“人工模拟光合作用”的研究。2007年丹尼尔·诺切拉因声称更好地理解了光合作用而受到广泛关注。
除了麻省理工学院的教师身份，诺切拉还是一家太阳能源公司的创始人。美国能源部下属的能源研究计划局于2009年10月曾拨款2370万美元鼓励新公司和大学研究太阳光合能。他所创建的这家公司就是5家接受政府资助开发的公司之一。此次的研究经费也是部分来源于这家公司。
中国也曾研发人工树叶
不过，这片叶子并不是史无前例。早在1998年，美国科罗拉多州国家可再生能源实验室的约翰·特纳博士就研制出了世界上第一片人工树叶。
这位现在依然将精力倾注于这一技术的科学家在接受采访时说，自己也并不是第一个提出这一概念的人。1972年，日本学者藤岛昭和他的导师共同在《科学》杂志上发表了一篇论文，这篇论文后来被奉为光催化概念的经典之作。由于这一化学过程模拟了光合作用，在自然界中承载这一作用的树叶就此进入科学家的视野。
20多年后，特纳用砷化镓制成的叶子来分解水，释放的氢和氧产生电流。但砷化镓素有“半导体贵族”之称，诺切拉曾开玩笑说，这种材料只有美国航天局才用得起。
中国科学家也在进行这项研究。2010年，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的科学家们将“人工树叶”的技术发布在当年的美国科学学会上。这个团队用中国特有的植物——打碗碗花做实验，先找到自然叶子收获阳光的结构，再研制一种在功能上替代这种结构的化学物，为这片叶子贴上了“中国制造”的标签。
遗憾的是，这些成果未能进入实用领域，不是因为造价太昂贵，就是因为不稳定易锈蚀。丹尼尔·诺切拉最新发布的这片叶子部分地解决了这一问题。
丹尼尔·诺切拉表示：“我将一片叶子放入一瓶水中，拿着它走到阳光下，你就能看到氧气和氢气在冒泡。”瓶中的水并不需要是纯净的，丹尼尔·诺切拉用校园附近的查尔斯河水做实验，效果并没有衰减。
原理：电解水的过程
在说“人工树叶”的工作原理之前，先让我们来了解一下自然界的树叶是怎么工作的。我们知道，植物是通过光合作用获取生长所需的能量的。这其中的原理非常复杂。简单地讲，树叶中有两套系统：光系统Ⅰ和光系统II。光系统Ⅰ负责吸收二氧化碳，生成植物生长需要的有机物。光系统II负责吸收太阳光，并将水分解为氧气，同时产生质子和电子。事实上，地球上95%的氧气来源于这一过程，而产生的电子和质子将会参与到与二氧化碳的反应中，从而生成淀粉及糖类有机物用于植物生长。当然，这中间还涉及许多复杂的生化反应过程，在这我们不再详细叙述。
与我们这一主题相关的是光系统II。在这一过程中，最关键、最复杂、也是最困难的过程就是将水分解为氧气。而在诺切拉教授的报告中提及的“人工树叶”，其核心正是模仿了树叶的这一过程——通过一种化学催化材料，将水在一定的电压下高效地电解为氧气，同时产生质子和电子；产生的质子与电子可以结合，生成氢气，提供一种清洁的能源。在这一过程中所需的电力，将由硅太阳能电池供给。
看了上面的介绍，也许有些人会有点失望，所谓“人工树叶”原来就是电解水啊，这不就是我们高中化学课本里所描述的化学反应吗？简单讲，不就是用太阳能发电，再用电解水制氢气和氧气，然后再用氢气和氧气通过燃料电池来发电。
其实，一直以来，人们都在寻求利用“不需要付费”的太阳能源，然而捕获并使用太阳能却需要耗费很大的财力，这让很多在太阳能上动脑筋的人望而却步。而诺切拉教授发明的核心就在于他们发现了高效廉价的电解水的电极催化材料，从而使得这一过程的经济性大大增加，让规模化应用成为可能。
“传统的太阳能电池板造价并不昂贵。”诺切拉解释说，“它的大部分的开销都在于布线，而人工树叶很好地解决了这一问题。”
同传统太阳能电池板一样，人工树叶的基础材料依然是硅，只不过运用的是三结非晶硅。虽然在转换效率上不如传统的晶体硅，但这种非晶硅价格低廉、耗能少，更利于推广。同时，叠层的设计将非晶硅分子用磷酸盐加以固定，使它们就像是捆在一架车上的几匹马，不但保证了分解水时所需要的能量，还使其更加具有稳定性。
更令学界关注的是“穿”在硅外面的催化剂。清华大学材料与科学工程系的林红博士解释说，催化剂使硅板不再像普通太阳能电池那样依靠电线工作，反应速度和强度大大提高。在过去，催化剂大多采用的是锰基。
诺切拉所采用的一种催化剂是钴。相比于需要不断修复和代谢的锰基，钴有强大的“自组装”能力，它能让自己分分合合，不需要再加入额外的材料。这弥补了20多年前第一片“人工树叶”的先天不足。据说，诺切拉的这片叶子的光合效率大约是自然树叶的10倍。
目前，诺切拉的实验室并没有发布催化剂的具体成分，这将留待以后申请专利。在美国化学学会提供的新闻通稿中，只提到采用相对廉价的钴、镍等金属化合物以及磷酸盐作为电极催化材料，不仅催化效率远高于传统材料，而且寿命更长、更稳定，使成本大大降低。
核心：高效的储能方法
我们知道，现在太阳能电池已经得到了很大发展，但其最大的问题是缺乏持续性——只有白天或者光照条件好的情况下才可以发电，到了晚上或阴雨天，不仅无法产生电力，那些在白天产生的电力也不能储存。也就是说，如果不能即时使用，就会浪费掉。
而“人工树叶”则有效地解决了这个问题。白天，将太阳能电池产生的电力通过电解水转化为氢气和氧气，作为化学能储存起来；晚上或阴雨天，又能随时通过燃料电池将储存的化学能转化为电能。
或许很多人会问，为什么我们要通过这么复杂的一种方式储存太阳能电池所发出的电力，我们不是有非常成熟的电池或其他方式吗？事实上也确实有人在这么做。但问题的关键在于“人造树叶”有其他方式无法比拟的优势。
首先，“人造树叶”的储能效率非常高。举个例子，电池的能量密度只能达到约0.1-0.5MJ/kg，超级电容器仅为约0.01MJ/kg，而氢气的能量密度却高达140MJ/kg。通俗点说，同样质量的氢气储存的能量是电池的1400倍，是超级电容器的14000倍。利用氢气化学储能的优势非常明显。其次，在这一过程中，所消耗掉的仅仅是水，因此也被形象地称为“水燃料”。事实上，即使是这些水在随后的放电过程中也会被再生出来，因此这一过程所需的仅仅是太阳光照而已。讲到这里，我想读者应该了解了：“人工树叶”并非一种新的获取能源的方式，其核心是一种高效的储存能源的方法。
应用：多国正在实践
氢是宇宙中分布最广泛的物质，构成了宇宙质量的75%。氢能作为人类的终极能源已成为世界各国科学研究的重点之一。太阳能制氢技术是指从水这个氢的大仓库中分解出氢，使其作为能源应用于人类的生产过程。
早在小布什当政时期，美国就提出要推广氢燃料计划。奥巴马政府在竞选时也将发展新能源提上了竞选纲领。
中国也开始重视新能源的开发和利用。2008年，科技部部长万钢在第十七届世界氢能大会上获得2008年度格罗夫（Grave）奖，以表彰其推动燃料电池汽车方面的贡献。积极推动人工光合作用技术的美国能源部部长朱棣文更是在去年斯坦福大学演讲时表示，中国目前在清洁能源上的投入相当惊人，每个月投入额为90亿元，大有后来居上的势头。
参与上海交通大学的“人工无机叶”项目的范同祥、张荻也对氢能表示乐观：“将取之不尽的太阳能转换成氢能是未来的方向。”碳能源时代消耗了大量的不可再生能源而且释放的是二氧化碳温室气体，氢能的燃烧则只释放水蒸气，对环境不会造成影响。
在“十二五”规划强调大力发展的七大新兴产业中，“人工树叶”代表的“新能源、节能环保、新材料”都是重点发展的产业，前景十分乐观，但如何实现产业化还是个未知数。
缔造了第一片实用型人工树叶的诺切拉更加关注它的产业化，并将目光投向了广大的发展中国家和地区。“人造树叶显示了它的巨大潜力，它能帮助发展中国家的贫困家庭用上便宜、清洁的电能。实现电力的自给自足。”
诺切拉所在的实验室已经与印度的塔塔集团达成了合作协议。“到2011年年底，我们将可能在印度拥有基地。”诺切拉并不打算透露合作细节，但有媒体报道，塔塔集团投资1500万美元来支持这项研究。
“我们的目标是让每一个家庭拥有自己的发电站。”诺切拉说，“可以设想，在不久的将来，那些印度和非洲的村庄将有能力购买基于这种技术的基础发电系统。”
未来：发展空间无限
在为这一发明兴奋的同时，我们还应该清醒地意识到，所谓的“人工树叶”其实还存在着较大的局限性。首先，“人工树叶”并未真正实现自然界早已运行上亿年的树叶的全部功能，它仅仅模仿了树叶中光系统II中的局部功能。其次，它的运行也要依赖太阳能电池和燃料电池来完成。再次，它还需要新型的廉价的压缩气体系统以储存所产生的氢气和氧气，然后用于发电。因此，要把这一发明真正规模化应用还有很长的路要走。
即便如此，我们仍然可以看到这一发明在未来发展的广阔前景。正如前面所讲，这一发明的核心在于将电能高效地以氢能的形式储存起来。因此，其电力的来源也将不会仅局限于太阳能电池，也可以是风能、地热能、核能，甚至化石燃料的化学能等。比如说，很多人参观风力发电厂时会感到奇怪，为什么有些风机并不运转，这并不是因为我们有太多的电力了，而是因为电网无法承受这些多出来的电力。据报道，由于无处储存，仅在美国，去年一年就损失了25TWh的风机潜在电力。而这一发明无疑将为解决这个问题提供新的途径。
“人工树叶”还有很大的发展空间。也许在不远的将来，“人工树叶”也能兼具光系统Ⅰ的功能：通过合适的化学反应，让“人工树叶”吸收二氧化碳生成有机物。在如今地球已不堪重负的今天，将废弃有害的二氧化碳通过这种类似于光合作用的方式转化成对人类有用的有机物（如糖、醇类等），将是多么伟大的发明啊！
这恐怕是世界上最为奇怪的树叶了：它没有粗细不等的叶脉，取而代之的是各种电子元件；它也没有心形、扇形或是菱形这样的形状，而是像一张扑克牌那样单薄；甚至于，它连普通树叶常见的颜色都没有，看上去就像一块亮晶晶的遮光板。
但它却能像树叶那样进行光合作用。今年早些时候，美国麻省理工学院的丹尼尔·诺切拉博士曾公布了自己团队研发的人工树叶。在众人的瞩目下，一片人工树叶被放入3.7升水中，在阳光下迅速地产生了相当于一个发展中国家的家庭一天的能源需求。而这片叶子的一个令人欣喜的特点是其实用性，由于所用材料价格低廉，未来它有可能成为超市货架上的商品。
这个发明迅速引起了科学界乃至世界各国主流媒体的关注——它被认为是人类寻找替代能源的征程中一个里程碑式的发明，甚至有人认为这片小小的“树叶”可能将彻底解决未来的能源和与之相关的环境问题。
什么是人工树叶？
事实上，人工树叶是一个技术概念，并不专指某一片叶子。这种技术主要是模拟真实植物的光合作用原理：用人工材料制成小巧轻薄的片状，浸泡在水中，经过太阳光的照射，水被分解为氧气和氢气，这些气体储存起来可用于发电。所谓的“叶子”，只是一块高级的太阳能电池。
“要做到像叶子一样进行光合作用，并不意味着我们完全按照树叶来设计人工叶。” 伦敦帝国学院生物学家詹姆斯·巴伯解释说。他表示，“达·芬奇曾试图设计羽翼可以上下摆动的飞行器。但最终人类建造出的波音747及空中客车380与鸟完全不同，它们甚至飞得比鸟更好”。
丹尼尔·诺切拉研制的人工树叶就不以任何自然界中的树叶为原型。这位化学家、能源学家一直致力于这项在美国被称为“人工模拟光合作用”的研究。2007年丹尼尔·诺切拉因声称更好地理解了光合作用而受到广泛关注。
除了麻省理工学院的教师身份，诺切拉还是一家太阳能源公司的创始人。美国能源部下属的能源研究计划局于2009年10月曾拨款2370万美元鼓励新公司和大学研究太阳光合能。他所创建的这家公司就是5家接受政府资助开发的公司之一。此次的研究经费也是部分来源于这家公司。
中国也曾研发人工树叶
不过，这片叶子并不是史无前例。早在1998年，美国科罗拉多州国家可再生能源实验室的约翰·特纳博士就研制出了世界上第一片人工树叶。
这位现在依然将精力倾注于这一技术的科学家在接受采访时说，自己也并不是第一个提出这一概念的人。1972年，日本学者藤岛昭和他的导师共同在《科学》杂志上发表了一篇论文，这篇论文后来被奉为光催化概念的经典之作。由于这一化学过程模拟了光合作用，在自然界中承载这一作用的树叶就此进入科学家的视野。
20多年后，特纳用砷化镓制成的叶子来分解水，释放的氢和氧产生电流。但砷化镓素有“半导体贵族”之称，诺切拉曾开玩笑说，这种材料只有美国航天局才用得起。
中国科学家也在进行这项研究。2010年，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的科学家们将“人工树叶”的技术发布在当年的美国科学学会上。这个团队用中国特有的植物——打碗碗花做实验，先找到自然叶子收获阳光的结构，再研制一种在功能上替代这种结构的化学物，为这片叶子贴上了“中国制造”的标签。
遗憾的是，这些成果未能进入实用领域，不是因为造价太昂贵，就是因为不稳定易锈蚀。丹尼尔·诺切拉最新发布的这片叶子部分地解决了这一问题。
丹尼尔·诺切拉表示：“我将一片叶子放入一瓶水中，拿着它走到阳光下，你就能看到氧气和氢气在冒泡。”瓶中的水并不需要是纯净的，丹尼尔·诺切拉用校园附近的查尔斯河水做实验，效果并没有衰减。
原理：电解水的过程
在说“人工树叶”的工作原理之前，先让我们来了解一下自然界的树叶是怎么工作的。我们知道，植物是通过光合作用获取生长所需的能量的。这其中的原理非常复杂。简单地讲，树叶中有两套系统：光系统Ⅰ和光系统II。光系统Ⅰ负责吸收二氧化碳，生成植物生长需要的有机物。光系统II负责吸收太阳光，并将水分解为氧气，同时产生质子和电子。事实上，地球上95%的氧气来源于这一过程，而产生的电子和质子将会参与到与二氧化碳的反应中，从而生成淀粉及糖类有机物用于植物生长。当然，这中间还涉及许多复杂的生化反应过程，在这我们不再详细叙述。
与我们这一主题相关的是光系统II。在这一过程中，最关键、最复杂、也是最困难的过程就是将水分解为氧气。而在诺切拉教授的报告中提及的“人工树叶”，其核心正是模仿了树叶的这一过程——通过一种化学催化材料，将水在一定的电压下高效地电解为氧气，同时产生质子和电子；产生的质子与电子可以结合，生成氢气，提供一种清洁的能源。在这一过程中所需的电力，将由硅太阳能电池供给。
看了上面的介绍，也许有些人会有点失望，所谓“人工树叶”原来就是电解水啊，这不就是我们高中化学课本里所描述的化学反应吗？简单讲，不就是用太阳能发电，再用电解水制氢气和氧气，然后再用氢气和氧气通过燃料电池来发电。
其实，一直以来，人们都在寻求利用“不需要付费”的太阳能源，然而捕获并使用太阳能却需要耗费很大的财力，这让很多在太阳能上动脑筋的人望而却步。而诺切拉教授发明的核心就在于他们发现了高效廉价的电解水的电极催化材料，从而使得这一过程的经济性大大增加，让规模化应用成为可能。
“传统的太阳能电池板造价并不昂贵。”诺切拉解释说，“它的大部分的开销都在于布线，而人工树叶很好地解决了这一问题。”
同传统太阳能电池板一样，人工树叶的基础材料依然是硅，只不过运用的是三结非晶硅。虽然在转换效率上不如传统的晶体硅，但这种非晶硅价格低廉、耗能少，更利于推广。同时，叠层的设计将非晶硅分子用磷酸盐加以固定，使它们就像是捆在一架车上的几匹马，不但保证了分解水时所需要的能量，还使其更加具有稳定性。
更令学界关注的是“穿”在硅外面的催化剂。清华大学材料与科学工程系的林红博士解释说，催化剂使硅板不再像普通太阳能电池那样依靠电线工作，反应速度和强度大大提高。在过去，催化剂大多采用的是锰基。
诺切拉所采用的一种催化剂是钴。相比于需要不断修复和代谢的锰基，钴有强大的“自组装”能力，它能让自己分分合合，不需要再加入额外的材料。这弥补了20多年前第一片“人工树叶”的先天不足。据说，诺切拉的这片叶子的光合效率大约是自然树叶的10倍。
目前，诺切拉的实验室并没有发布催化剂的具体成分，这将留待以后申请专利。在美国化学学会提供的新闻通稿中，只提到采用相对廉价的钴、镍等金属化合物以及磷酸盐作为电极催化材料，不仅催化效率远高于传统材料，而且寿命更长、更稳定，使成本大大降低。
核心：高效的储能方法
我们知道，现在太阳能电池已经得到了很大发展，但其最大的问题是缺乏持续性——只有白天或者光照条件好的情况下才可以发电，到了晚上或阴雨天，不仅无法产生电力，那些在白天产生的电力也不能储存。也就是说，如果不能即时使用，就会浪费掉。
而“人工树叶”则有效地解决了这个问题。白天，将太阳能电池产生的电力通过电解水转化为氢气和氧气，作为化学能储存起来；晚上或阴雨天，又能随时通过燃料电池将储存的化学能转化为电能。
或许很多人会问，为什么我们要通过这么复杂的一种方式储存太阳能电池所发出的电力，我们不是有非常成熟的电池或其他方式吗？事实上也确实有人在这么做。但问题的关键在于“人造树叶”有其他方式无法比拟的优势。
首先，“人造树叶”的储能效率非常高。举个例子，电池的能量密度只能达到约0.1-0.5MJ/kg，超级电容器仅为约0.01MJ/kg，而氢气的能量密度却高达140MJ/kg。通俗点说，同样质量的氢气储存的能量是电池的1400倍，是超级电容器的14000倍。利用氢气化学储能的优势非常明显。其次，在这一过程中，所消耗掉的仅仅是水，因此也被形象地称为“水燃料”。事实上，即使是这些水在随后的放电过程中也会被再生出来，因此这一过程所需的仅仅是太阳光照而已。讲到这里，我想读者应该了解了：“人工树叶”并非一种新的获取能源的方式，其核心是一种高效的储存能源的方法。
应用：多国正在实践
氢是宇宙中分布最广泛的物质，构成了宇宙质量的75%。氢能作为人类的终极能源已成为世界各国科学研究的重点之一。太阳能制氢技术是指从水这个氢的大仓库中分解出氢，使其作为能源应用于人类的生产过程。
早在小布什当政时期，美国就提出要推广氢燃料计划。奥巴马政府在竞选时也将发展新能源提上了竞选纲领。
中国也开始重视新能源的开发和利用。2008年，科技部部长万钢在第十七届世界氢能大会上获得2008年度格罗夫（Grave）奖，以表彰其推动燃料电池汽车方面的贡献。积极推动人工光合作用技术的美国能源部部长朱棣文更是在去年斯坦福大学演讲时表示，中国目前在清洁能源上的投入相当惊人，每个月投入额为90亿元，大有后来居上的势头。
参与上海交通大学的“人工无机叶”项目的范同祥、张荻也对氢能表示乐观：“将取之不尽的太阳能转换成氢能是未来的方向。”碳能源时代消耗了大量的不可再生能源而且释放的是二氧化碳温室气体，氢能的燃烧则只释放水蒸气，对环境不会造成影响。
在“十二五”规划强调大力发展的七大新兴产业中，“人工树叶”代表的“新能源、节能环保、新材料”都是重点发展的产业，前景十分乐观，但如何实现产业化还是个未知数。
缔造了第一片实用型人工树叶的诺切拉更加关注它的产业化，并将目光投向了广大的发展中国家和地区。“人造树叶显示了它的巨大潜力，它能帮助发展中国家的贫困家庭用上便宜、清洁的电能。实现电力的自给自足。”
诺切拉所在的实验室已经与印度的塔塔集团达成了合作协议。“到2011年年底，我们将可能在印度拥有基地。”诺切拉并不打算透露合作细节，但有媒体报道，塔塔集团投资1500万美元来支持这项研究。
“我们的目标是让每一个家庭拥有自己的发电站。”诺切拉说，“可以设想，在不久的将来，那些印度和非洲的村庄将有能力购买基于这种技术的基础发电系统。”
未来：发展空间无限
在为这一发明兴奋的同时，我们还应该清醒地意识到，所谓的“人工树叶”其实还存在着较大的局限性。首先，“人工树叶”并未真正实现自然界早已运行上亿年的树叶的全部功能，它仅仅模仿了树叶中光系统II中的局部功能。其次，它的运行也要依赖太阳能电池和燃料电池来完成。再次，它还需要新型的廉价的压缩气体系统以储存所产生的氢气和氧气，然后用于发电。因此，要把这一发明真正规模化应用还有很长的路要走。
即便如此，我们仍然可以看到这一发明在未来发展的广阔前景。正如前面所讲，这一发明的核心在于将电能高效地以氢能的形式储存起来。因此，其电力的来源也将不会仅局限于太阳能电池，也可以是风能、地热能、核能，甚至化石燃料的化学能等。比如说，很多人参观风力发电厂时会感到奇怪，为什么有些风机并不运转，这并不是因为我们有太多的电力了，而是因为电网无法承受这些多出来的电力。据报道，由于无处储存，仅在美国，去年一年就损失了25TWh的风机潜在电力。而这一发明无疑将为解决这个问题提供新的途径。
“人工树叶”还有很大的发展空间。也许在不远的将来，“人工树叶”也能兼具光系统Ⅰ的功能：通过合适的化学反应，让“人工树叶”吸收二氧化碳生成有机物。在如今地球已不堪重负的今天，将废弃有害的二氧化碳通过这种类似于光合作用的方式转化成对人类有用的有机物（如糖、醇类等），将是多么伟大的发明啊！