來自《自然》雜誌
並非所有原型都能走出實驗室，但“人工樹葉”的設計如此精巧，以至於其設計似乎在呼喚商業化生產。由麻省理工學院的丹·諾塞拉領導的團隊去年在《科學》雜誌上描述了這種塗有催化劑的晶片，它是光合作用葉片的矽版本：它透過將水分解為氧氣和氫氣，將陽光轉化為可儲存的燃料。
但是，在諾塞拉的研究基礎上於劍橋成立的Sun Catalytix公司表示，它不會擴大原型機的規模進行現場測試。該公司表示，與從陽光中制氫的其他方法相比，該裝置幾乎沒有節省成本。
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首席技術官湯姆·賈維解釋說：“我們必須專注於那些比傳統的製取可再生氫的方法更持久、更好的方法。”該公司估計，目前使用太陽能電池板和電解裝置制氫的成本約為每公斤7美元；而人工樹葉的成本將為6.50美元。（使用化石燃料製取一公斤氫氣的成本僅為1-2美元）。
隨著太陽能電池的價格持續下降，該公司不打算進行不太可能獲得回報的鉅額投資。相反，它正在研究更便宜的設計——但這需要尚未被髮明的半導體材料。因此，Sun Catalytix的化學家喬普·皮傑斯說，目前，“人工樹葉被擱置了”。
太陽能制氫的挑戰
這個決定令人失望但並不令人意外。Sun Catalytix和美國能源部委託的一份報告都發現，太陽能制氫系統的成本主要由光伏（光捕獲）基礎設施的工程成本所主導，主要是因為所需的材料量巨大，包括框架、基板和保護半導體矽免受損壞的材料。
皮傑斯說，人工樹葉也是如此。該設計改進了先前嘗試將光捕獲太陽能電池和水分解催化劑耦合到一個裝置中的做法，因為它使用了廉價、豐富的催化劑，並且不需要極酸或極鹼性的溶液。然而，它的效率不高，僅將從陽光中獲得的約2.5%的能量轉化為化學鍵（儘管這仍然比植物葉片平均1%的效率有所提高）。
更便宜的太陽能制氫之路可能在於降低系統光捕獲部分的成本。一種解決方案可能是將矽重新塑造成柔性的微米級長線；另一種可能是完全避免使用矽，而選擇由其他型別的半導體或可能是由有機材料製成的太陽能電池。
Sun Catalytix目前的想法是保留人工樹葉的無線設計，但透過將小顆粒漿液分散到水中，而不是使用矽片來降低工程成本。問題在於，簡單地將人工樹葉切成小顆粒是行不通的。一塊矽板產生的電壓不足以分解水，因此，葉片將三塊面板連線起來以獲得電壓，這與電池串聯連線時的方式非常相似。但這在奈米顆粒設計中是不可行的。因此，該公司正在尋找其他光捕獲材料，如氧化鐵。這種已經氧化的材料的優點是，它們不需要像水分解過程中產生的氧氣那樣多的保護，但也很難獲得氧化鐵吸收光子時產生的電荷。
鼓舞人心的設計
諾塞拉說，還有其他降低成本的方法。例如，可以使用浸漬染料的塑膠來吸收光，然後將光子傳遞到矽上，從而為光催化劑產生電流。這將減少所需的矽量。賈維同意面板配置可能會更便宜——另一種選擇是集中陽光，以減少必須安裝面板的面積，他說。但目前，由跨國企業塔塔集團支援並獲得能源部高階研究計劃署（ARPA-E）400萬美元撥款的Sun Catalytix公司已決定不專注於這種方法。
儘管目前的原型機與有線太陽能電池板相比並沒有明顯的節省，但人工樹葉的概念仍然被認為是鼓舞人心的，為太陽能燃料領域帶來了資金和關注，化學家們在5月18日在倫敦帝國學院舉行的一次會議上說。“當我進入這個領域時，沒有一種可以放入水中並看到氫氣和氧氣冒泡的晶片，”德國基爾大學的無機化學家菲利普·庫爾茨說。“人工樹葉在其設計和簡潔性方面很重要，”諾塞拉補充說。
本文經《自然》雜誌許可轉載。本文首次發表於2012年5月23日。