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youyipianlunwen,xiangximiaoshulekaifadediyikuanshiyongrengongshuye,zheshiyigelichengbei,huicujinkechixunengyuan,mofangguanghezuoyongguochengzhongdelvsezhiwu,bashuiheyangguangzhuanhuachengnengliang,zhepianwenzhangfabiaozaimeiguohuaxuexuehui(ACS)的期刊《化學研究報道》(Accounts of Chemical Research)上。文章指出,不像早期的設備那樣使用昂貴的成分,這種新設備采用廉價材料製成,而且采用了低成本的工程設計和製造工藝。

人(ren)工(gong)樹(shu)葉(ye)有(you)太(tai)陽(yang)光(guang)收(shou)集(ji)器(qi),就(jiu)夾(jia)在(zai)兩(liang)片(pian)薄(bo)膜(mo)之(zhi)間(jian),這(zhe)兩(liang)片(pian)薄(bo)膜(mo)會(hui)生(sheng)成(cheng)氧(yang)氣(qi)和(he)氫(qing)氣(qi)。浸(jin)入(ru)一(yi)瓶(ping)水(shui)中(zhong),在(zai)陽(yang)光(guang)的(de)照(zhao)射(she)下(xia),它(ta)就(jiu)會(hui)冒(mao)泡(pao),釋(shi)放(fang)出(chu)氫(qing)氣(qi),可(ke)用(yong)於(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi),進(jin)行(xing)發(fa)電(dian)。
丹尼爾·G。諾塞拉(Daniel G. Nocera)指出,人工樹葉應驗了意大利著名化學家的設想,這位化學家在1912年就預言,有朝一日,科學家會揭開“植物的深奧秘密”。諾塞拉說,其中最重要的,就是水分解成氫氣和氧氣的過程。人(ren)工(gong)樹(shu)葉(ye)有(you)太(tai)陽(yang)光(guang)收(shou)集(ji)器(qi),就(jiu)夾(jia)在(zai)兩(liang)片(pian)薄(bo)膜(mo)之(zhi)間(jian),這(zhe)兩(liang)片(pian)薄(bo)膜(mo)會(hui)生(sheng)成(cheng)氧(yang)氣(qi)和(he)氫(qing)氣(qi)。浸(jin)入(ru)一(yi)瓶(ping)水(shui)中(zhong),在(zai)陽(yang)光(guang)的(de)照(zhao)射(she)下(xia),它(ta)就(jiu)會(hui)冒(mao)泡(pao),釋(shi)放(fang)出(chu)氫(qing)氣(qi),可(ke)用(yong)於(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi),進(jin)行(xing)發(fa)電(dian)。這些自足的裝置很有吸引力,可以製成電力燃料,用於偏僻的地方和發展中國家,但是,迄今為止展示的這些設計,都要依靠一些金屬,比如鉑(platinum),也依靠一些製造工藝,這就使它成本過高。 為了使這些設備可以更廣泛的使用,諾塞拉取代了鉑催化劑,在產生氫氣時,使用不太昂貴的鎳鉬鋅(nickel-molybdenum-zinc)化合物。在葉片的另一麵,鈷(cobalt)薄(bo)膜(mo)會(hui)產(chan)生(sheng)氧(yang)氣(qi)。諾(nuo)塞(sai)拉(la)指(zhi)出(chu),所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)材(cai)料(liao)在(zai)地(di)球(qiu)上(shang)都(dou)是(shi)豐(feng)富(fu)的(de),不(bu)像(xiang)稀(xi)有(you)和(he)昂(ang)貴(gui)的(de)鉑(bo)金(jin),還(hai)有(you)貴(gui)金(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)和(he)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao),這(zhe)都(dou)是(shi)其(qi)他(ta)人(ren)使(shi)用(yong)過(guo)的(de)。“因為到本世紀中葉,正是這60yifeichuantongyonghuhuidailainengyuanxuqiudejudazengchang,yinci,yixiangyanjiumubiaojiushibataiyangnengtigonggeipinqiongdediqu,youxiefaxianbirurengongshuye,huigeiquanqiushehuitigongyitiaozuizhijiedetujing,maixiangkechixunengyuandeweilai,”他說。 他們的論文《人工樹葉》(the Artificial Leaf)發表在2012年4月4日的《化學研究報道》shang,wenzhongjieshao,weilebayangguangnengliangzhuanhuanchenghuaxueneng,yezihuifenlieshui,tongguoguanghezuoyongguocheng,chanshengfenzizhuangtaideyangheqing,yangheqingdexingtaidoushifenlidezhizihedianzi。tianranguanghezuoyongdezhuyaobuzhoubaokuoxishouyangguang,batazhuanhuanchengkongjianshangfengededianzi-空穴對(electron–hole pairs)。這種無線電流空穴會被放氧複合體(OEC:oxygen evolving complex)捕獲,這個複合體屬於光係統Ⅱ(PSⅡ:photosystem II),會把水氧化為氧氣。產生的電子和質子是放氧複合體反應的副產品,會被光合係統I的鐵氧還蛋白(ferrodoxin)捕獲。借助鐵氧還蛋白-煙酰胺腺嘌呤二核甙酸磷酸 +還原酶(ferrodoxin–NADP+ reductase),它們可用於產生氫氣,形態是還原型煙酰胺腺嘌呤二核甙酸磷酸(NADPH)。合成材料要實現樹葉的太陽能轉換功能,這種光吸收材料就必須捕捉太陽光子,產生無線電流,並被催化劑利用,從而促進四個電子/空穴對的燃料形成和水分解反應,要在良性的條件下,采用1太陽(100 mW/cm2)的照明。 zhepianbaodaojieshao,zhibeirenzaoshuye,yaocaiyongdiqiushangfengfudeyuansu,yongsanjiefeijingguiguangfucailiaojieheqingqiheyangqishifangcuihuaji,zhexiecuihuajidezhibeifenbiecaiyongyizhongsanyuanhejin(NiMoZn)和鈷磷酸鹽簇(Co-OEC :cobalt–phosphate cluster)。後者可利用光合係統II放氧複合體(PSII-OEC)的結構和功能屬性。類似光合係統II放氧複合體,這種鈷磷酸鹽簇會自我組裝,這需要氧化地球上豐富的金屬離子,從2 +到 3 +,操作可在室溫下的天然水中進行,具有自愈功能。這種鈷磷酸鹽簇也可激活H2O,這要利用質子耦合電子傳遞機製,其中鈷磷酸鹽簇可以增加,采用四個空穴孔對等物,類似於S狀態抽泵的光合係統II(PSII)角周期(Kok cycle)。 X-射線吸收光譜的研究已經表明,鈷磷酸鹽簇在結構上關聯到Mn3CaO4,這種錳立方烷(cubane),屬於光合係統II放氧複合體,其中,鈷取代錳,立方烷延長到共享的從頭至尾的二聚體(dimer)中。 可以進行放氧反應,采用的水要處於中性或接近中性的條件下,這會產生幾種結果,可以製備人工樹葉。NiMoZn合he金jin可ke用yong於yu取qu代dai鉑bo,生sheng成cheng氫qing氣qi。為wei了le穩wen定ding水shui中zhong的de矽gui,要yao在zai它ta的de表biao麵mian塗tu上shang導dao電dian金jin屬shu氧yang化hua物wu,這zhe樣yang,上shang麵mian就jiu可ke沉chen積ji鈷gu磷lin酸suan鹽yan簇cu。最zui終zhong的de結jie果guo是shi,三san結jie矽gui片pian塗tu有youNiMoZnhegulinsuanyancu,zaishuizhongjinpao,zaiyangguangxiakeyizhijiejinxingtaiyangnengzhuanhuan,zhixuyaofenjieshui。zhichengyizhongjiandandedanjishebei,caiyongdiqiushangfengfudecailiao,zhezhongrengongshuyejiutigongleyizhongfangfa,keyongyulianjiadegaodufensandetaiyangneng-燃料係統,隻需采用低成本係統工程設計和製造工藝。采用這種類型的係統,太陽能就成為可行的電源,可用於非常規供電地區。
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