Blueprint for 'artificial leaf' mimics Mother Nature
http://www.physorg.com/news188740600.html
March 25, 2010
科學家今天展示一種設計策略，藉此製造期盼已久的人造葉子，那能夠駕馭大自然在光合作用這種過程中，從日光與水產生能量的能力。這種新竅門，是基於自然葉子的化學與生物能力，可導致有效的人造葉子原型。他們宣稱，人造葉子能捕捉太陽能，並有效地利用它將水轉變成氫燃料。
他們已預定在本週舉行的第 239 屆 American Chemical Society (ACS) 國際會議中報告。這次會議上，約有 12,000 篇科學報告已排定進行簡報，是 2010 規模最大的科學聚會之一。
"此概念也許為基於生物學典範之人造光合作用系統的設計帶來新願景，而且提供一種有效的原型，能利用永續的能源資源，" 范同祥（Tongxiang Fan）, Ph.D. 以及同僚張荻（Di Zhang）, Ph.D. 與周漢（Han Zhou，音譯）, Ph.D. 表示。他們屬於中國上海，上海交通大學金屬基複合材料國家重點實驗室（State Key Lab of Matrix Composites at Shanghai Jiaotong University）。
范指出，利用陽光將水分離成它的成份：氫與氧，是脫離目前對煤、石油與其他傳統燃料的依賴，最有前途且永續的策略之一。當然燒時，這些燃料會釋出二氧化碳，主要溫室氣體。相較之下，氫的燃燒，只會形成水蒸汽。這項訴求正是經過許多討論的「氫能經濟（Hydrogen Economy）」的中心，例如 Toyota 已開發出氫燃料車。然而，目前缺乏具成本效益的永續方法來製造氫。
范等人念玆在玆，決定要進一步觀察葉子，大自然的光合作用系統，並計畫將其結構作為他們次世代人工系統的藍圖。並不太令人意外，綠葉的結構賦予他們極高的光收成（light-harvesting）效率。在他們的架構內，包含負責將太陽能聚焦與引導至葉子之光收成部份以及其他功能的結構。
在發展人造的、葉子般結構的藍圖時，這些科學家決定模仿大自然的設計。這導致他們報告他們的「人造無機葉（Artificial Inorganic Leaf，AIL，人造無機樹葉、人工無機葉）」，那基於自然的葉子與二氧化鈦（TiO2） -- 這種化學物質已被確認為氫生產的光催化劑。
這些科學家首先在一種二階段過程中使二氧化鈦滲入野棉花（Anemone vitifolia，小白頭翁，一種中國原生植物，屬於銀蓮花屬）的葉子中。利用先進的光譜學技術，這些科學家接著能證實，葉中有利於光收成的結構化特徵已複製在新的二氧化鈦構造中。令人振奮的是， AIL 在氫的製造上比那些以這種方式「生物模板化（biotemplated）」的二氧化鈦更加活躍八倍。AILs 也比商業化的光催化劑更加活躍三倍。接著，科學家們將鉑的奈米粒子嵌入葉狀結構中。鉑，以及可在天然葉子中發現的氮，協助使人造葉的活性增加額外的十倍。
在他的 ACS 簡報中，范報告人造無機葉製造的種種面向，他們的光譜學使他們更了解光催化劑的巨觀與微觀結構，以及與先前所報告系統的比較。這些新「葉子」的活性顯然高於其他利用傳統方法所製備的。范將這些結果歸因於源自自然葉子的階層式（hierarchical）結構：
"在朝著基於自然典範 -- 尤其是基於結構性設計的探索與模仿 -- 之新人造太陽能轉能（transduction）系統的邁進上，我們的結果也許代表了重要的第一步。大自然仍有許多東西能教我們，而人類的心靈手巧能夠修改自然系統的原理以強化效用。"
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