来自《自然》杂志
并非所有原型都能走出实验室，但“人工树叶”的设计如此精巧，以至于其设计似乎在呼唤商业化生产。由麻省理工学院的丹·诺塞拉领导的团队去年在《科学》杂志上描述了这种涂有催化剂的晶片，它是光合作用叶片的硅版本：它通过将水分解为氧气和氢气，将阳光转化为可储存的燃料。
但是，在诺塞拉的研究基础上于剑桥成立的Sun Catalytix公司表示，它不会扩大原型机的规模进行现场测试。该公司表示，与从阳光中制氢的其他方法相比，该设备几乎没有节省成本。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
首席技术官汤姆·贾维解释说：“我们必须专注于那些比传统的制取可再生氢的方法更持久、更好的方法。”该公司估计，目前使用太阳能电池板和电解装置制氢的成本约为每公斤7美元；而人工树叶的成本将为6.50美元。（使用化石燃料制取一公斤氢气的成本仅为1-2美元）。
随着太阳能电池的价格持续下降，该公司不打算进行不太可能获得回报的巨额投资。相反，它正在研究更便宜的设计——但这需要尚未被发明的半导体材料。因此，Sun Catalytix的化学家乔普·皮杰斯说，目前，“人工树叶被搁置了”。
太阳能制氢的挑战
这个决定令人失望但并不令人意外。Sun Catalytix和美国能源部委托的一份报告都发现，太阳能制氢系统的成本主要由光伏（光捕获）基础设施的工程成本所主导，主要是因为所需的材料量巨大，包括框架、基板和保护半导体硅免受损坏的材料。
皮杰斯说，人工树叶也是如此。该设计改进了先前尝试将光捕获太阳能电池和水分解催化剂耦合到一个设备中的做法，因为它使用了廉价、丰富的催化剂，并且不需要极酸或极碱性的溶液。然而，它的效率不高，仅将从阳光中获得的约2.5%的能量转化为化学键（尽管这仍然比植物叶片平均1%的效率有所提高）。
更便宜的太阳能制氢之路可能在于降低系统光捕获部分的成本。一种解决方案可能是将硅重新塑造成柔性的微米级长线；另一种可能是完全避免使用硅，而选择由其他类型的半导体或可能是由有机材料制成的太阳能电池。
Sun Catalytix目前的想法是保留人工树叶的无线设计，但通过将小颗粒浆液分散到水中，而不是使用硅片来降低工程成本。问题在于，简单地将人工树叶切成小颗粒是行不通的。一块硅板产生的电压不足以分解水，因此，叶片将三块面板连接起来以获得电压，这与电池串联连接时的方式非常相似。但这在纳米颗粒设计中是不可行的。因此，该公司正在寻找其他光捕获材料，如氧化铁。这种已经氧化的材料的优点是，它们不需要像水分解过程中产生的氧气那样多的保护，但也很难获得氧化铁吸收光子时产生的电荷。
鼓舞人心的设计
诺塞拉说，还有其他降低成本的方法。例如，可以使用浸渍染料的塑料来吸收光，然后将光子传递到硅上，从而为光催化剂产生电流。这将减少所需的硅量。贾维同意面板配置可能会更便宜——另一种选择是集中阳光，以减少必须安装面板的面积，他说。但目前，由跨国企业塔塔集团支持并获得能源部高级研究计划署（ARPA-E）400万美元拨款的Sun Catalytix公司已决定不专注于这种方法。
尽管目前的原型机与有线太阳能电池板相比并没有明显的节省，但人工树叶的概念仍然被认为是鼓舞人心的，为太阳能燃料领域带来了资金和关注，化学家们在5月18日在伦敦帝国学院举行的一次会议上说。“当我进入这个领域时，没有一种可以放入水中并看到氢气和氧气冒泡的晶片，”德国基尔大学的无机化学家菲利普·库尔茨说。“人工树叶在其设计和简洁性方面很重要，”诺塞拉补充说。
本文经《自然》杂志许可转载。本文首次发表于2012年5月23日。