利用催化剂和阳光将水分解成氢气，如果这一过程可以规模化生产，将会使得太阳能成为一种优势能源

“今天，我来让大家见识一下别人从未看过的东西。”在今年5月科学家和美国政府能源官员云集的会议上，麻省理工学院的化学家诺西拉说道。在会堂工作人员将灯光调暗之后，他开始播放录像。他指着水中材料上升起的泡泡兴奋地问：“看到了吗？氢气就是从这个电极上释放出来的，这个装置就是未来我们将获得的人造绿叶。”

诺西拉展示的以水制氧的化学反应就如同是绿色植物进行光合作用一样，可以说这是一项意义深远的进展。这一反应是在他所研制的催化剂的作用下发生的。

太阳能独一无二之处是可以产生大量清洁能源却不会造成全球变暖。但是，由于无法廉价地储存，太阳能也就不能大规模替换化石燃料。在诺西拉的试验中，阳光将水分解，产生的是用途广泛、易于储存的氢燃料，氢在内燃机中燃烧或在燃料电池中与氧再结合。更有前途的是，这种反应还有望用来分解海水——通过燃料电池产生氢气，燃烧时可以既提供电能又生产了淡水。

早在20世纪70年代，科学家就一直在尝试模拟光合作用来储存太阳能，特别是想复制绿色植物分解水的方式。当然，化学家早已知道如何分解水，但这个过程需要很高的温度和强碱溶液，还有像金属铂那样稀少和昂贵的催化剂。如今，诺西拉发明了一种廉价的催化剂，而且无需腐蚀性化学制剂就可以在室温下用水分解出氧气和氢气——一如植物上发生的温和光合作用条件。

难以储存的太阳能

尽管阳光是世界上最大的可再生能源的潜在来源，但是这种潜力却并不容易实现。不仅仅是太阳能电池板不能在夜间工作，就算是日间也有阳光不足的时候。这就是为什么现今大多数太阳能电池板，包括由电力部门建造的太阳能农场，以及家庭或企业装在屋顶的太阳能设施都和电网相连。在阳光明媚的日子，太阳能电池板的工作达到其高峰能力，这样，业主和公司就可以向电力部门出售其多余的电力。但是，到了夜晚或乌云遮住电池板的时候，他们主要还是要依靠电网供电。

这个系统只有在太阳能占整个电力生产的比例很小时才能运转：在美国太阳能在总能源供应中只占1%，随着太阳能对电力贡献的增加，其不稳定性必将成为日益严重的问题。

劳伦斯伯克利国家实验室研究电力市场的科学家瑞恩•威瑟认为，假如太阳能增加到总电力的10%，那么电力部门将必须要解决在高峰供电需求期间发生乌云蔽日的问题。电力部门要么将需要开设额外的天然气发电厂以补偿电能的不足，要么就要直接在能源储存上投资。威瑟说：“电力储存太过昂贵了。”

简言之，要让太阳能成为主要的电能，就需要大量可以供应的储存能源。加州理工的化学教授耐森•路易斯说，大规模储存电力在今天根本就不现实。一个最经济的办法就是使用抽水蓄能电站：利用电将水泵到山上，然后再让水流过涡轮发电机发电。将1公斤的水泵高100米储存的能量是1千焦耳。相比之下，1公斤的汽油储存的是45000千焦耳。那么，用这种方法要储存足够的能量需要建设巨大的水坝和水库，这样，太阳能设施不仅需建在阳光充足的地方，为了储存太阳能，还要能找到足够的水。

同时，电池也是非常昂贵的：对于典型的家庭太阳能系统，应用电池将增加大约1万美元的成本。而且，虽然已经在改进，但电池储能还是远不及诸如汽油或氢气储存的化学能。路易斯指出，最好的电池每公斤储存0.3千瓦时，而每公斤汽油储存13千瓦时。他说：“数字表明，化学燃料是获得最大能源储存的唯一能源密集形式。”

而在所有的燃料中，氢气不仅比汽油更清洁，而且单位重量的氢所储存的能更多——是汽油的3倍。当然，因为氢是气体，它所占的空间也比较大。

这个挑战是利用太阳能制造廉价而有效的燃料。诺西拉正是从这里开始努力模拟光合作用的。

模拟植物

在真正的光合作用中，绿色植物利用叶绿素捕捉来自阳光的能量，然后利用这种能量驱动一系列复杂的化学反应，将水和二氧化碳转变为诸如淀粉和糖等含能丰富的碳水化合物。但是很多研究人员最主要的兴趣却集中在这个过程的一个早期步骤——有助于高效地将水分解为氧气和氢离子的蛋白质和非有机催化剂的结合。

人工光合作用研究的快速起步发生在20世纪70年代早期，东京大学的研究生藤昭和他的论文导师本多健一向世人展示了用二氧化钛制作的电极。二氧化钛是一种染料成分，当暴露在500瓦的氙气灯光下时，它能缓慢地将水分解。这一发现证明光可以用在植物以外的水分解。1974年，北卡罗来纳大学的化学教授托马斯•梅尔证实，将一种含钌染料暴露在光下时，就会发生化学变化，给予其一定电压，就可以氧化水，即将电子从水中拽出，这正是水分解关键的第一步。

最终，这些方法没有一种被证明是有实用价值的。二氧化钛不能吸收足够的阳光，而梅尔的含钌颜料试验中，由光诱导的化学状态持续时间太短，不能加以利用。但是，这些进展激励了科学家的想象力。

在接下来的几十年中，科学家们研究了吸收阳光和储存能量的植物结构和材料。他们发现植物在进行水分子、电子和氢离子，或者说质子的移动设计时是非常周到的，但其中所涉及更为精确的机制却一直没有被人解开。

到了2004年，伦敦帝王学院终于确定了植物上由水产氧极为关键的蛋白质和金属结构。这种催化剂的中心是一组蛋白质和氧原子，以及用特别方式产生相互作用的锰和钙离子。

诺西拉说：“我们一发现这一点，就马上开始设计系统了。”他从1984年起开始试图全面理解光合作用背后的化学。在看到这一“路径图”后，他的研究小组开始按照植物的办法来处理质子和电子，不过他们只采用非有机的材料，因为无机物要比蛋白质更稳定和更耐用。

最初的时候，诺西拉并没有尝试去解决最大的挑战——将氧从水中拽出来。相反，他从逆反应开始做起：用氧和质子与电子结合形成水。他发现一种含钴的复杂化合物是这个反应很好的催化剂，因此在到了尝试分解水的时候，他决定采用类似的钴化合物。

诺西拉知道，钴能溶解于水，所以在水中使用钴化合物会产生问题，他说，“几天内，我们就认识到钴正在脱离我们精心制造的化合物。”最初的实验失败后，他决定采用其他办法，他不再使用复杂的化合物，而是转而测验溶解钴的催化性质，用磷酸盐加到水中来帮助反应。他说：“我们对自己说，让我们忘掉所有精心制造的催化剂而直接用钴吧。”

这一实验的运作比诺西拉和同事们所期望的还要好，当电流通过浸在溶液中的一个电极时，钴和磷酸就积累在电极上形成一个薄膜，然后在几分钟之内就形成一个更加密集的泡沫层。进一步的实验证实，这些泡沫正是从水中分解释放的氢和氧。

诺西拉说：“很幸运，我们没有理由期望光是用简单磷酸盐中的钴就能比复杂钴化物中的钴有更好的催化效果。我不能预测到这一点。”结果，这种简单的化合物脱颖而出，恰恰成了研究人员需要的催化剂。

“现在我们想了解它。我想知道为什么这个薄膜中的钴有这样的活力，我也许可以用另一种不同的金属，也许能够改进，也许效果更好。”与此同时，诺西拉还想和工程师一起合作优化这一过程，制造出更有效率的水分解电池。“我们能不能制造出一种在光合作用条件下能有效工作的催化剂呢？答案是能。我们现在实际上已经进行到设计电池技术的阶段了。”

质疑和辩论

诺西拉的发现赢得了很多注意力，但也不只是一边倒的叫好声。很多化学家发现他的主张有些夸大其词；人们并不是怀疑他的发现，但人们质疑他是否能获得他所设想的结果。梅尔曾是诺西拉的良师益友，他却说：“声称这就是人工光合作用的答案简直是头脑发热。”他认为诺西拉的催化剂“可能在技术上被证明是重要的”，这个进展只是“一个研究发现”，并不能“保证可以大规模生产或有实用价值。”

加州大学伯克利分校的化学和材料科学教授保尔•亚利维萨托在国家实验室领导着用化学方法模拟光合作用的研究，他说：“我们看到周围比比皆是的自然光合作用，但这都不是人类现在就真能做到的。”

不管怎么说，正如诺西拉所指出的：利用大自然自己的蓝图，人类将利用太阳“由一杯水制造出燃料”。这个想法值得化学家欣赏，而且从长远看来是有希望的。