科学家开发漂浮的“人造树叶” 用阳光和水产生清洁燃料

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在卡姆河上对这些轻质叶子进行的户外测试表明，它们可以像植物叶子一样有效地将阳光转化为燃料。卡姆河是流经英格兰东部剑桥的主要河流，测试发生在剑桥的标志性景点附近，包括叹息桥、雷恩图书馆和国王学院礼拜堂。

这是第一次在水上产生清洁燃料。如果扩大规模，这种人造树叶可以用于受污染的水道、港口，甚至是海上，并且可以帮助减少全球航运业对化石燃料的依赖。这些结果于8月17日在《自然》杂志上报告。

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近年来，可再生能源技术，如风能和太阳能，已经变得非常便宜和可用。然而，对于航运等行业来说，去碳化是一个更高的要求。大约80%的全球贸易是由化石燃料驱动的货船运输的，但该行业在有关气候危机的讨论中得到的关注明显不足。

几年来，剑桥大学 Erwin Reisner教授的研究小组一直在努力解决这个问题，开发基于光合作用原理的可持续汽油解决方案。2019年，他们开发了一种人造树叶，它从阳光、二氧化碳和水中制造合成气。合成气是许多化学品和药品生产中的一个关键中间体。

早期的原型通过将两个光吸收器与合适的催化剂结合起来生产燃料。然而，它结合了厚厚的玻璃基板和防潮涂层，这使得该设备很笨重。

“人造树叶可以大大降低可持续燃料生产的成本，但由于它们既重又脆弱，它们很难大规模生产和运输，”来自剑桥大学优素福-哈米德化学系的Virgil Andrei博士说，他是该论文的共同牵头人。

领导这项研究的Reisner说：“我们想看看我们能在多大程度上缩减这些设备使用的材料，同时不影响其性能。如果我们能将材料修剪到足够轻的程度，使它们能够漂浮，那么它就为这些人造树叶的使用开辟了全新的途径。”

对于新版本的人造树叶，科学家们从电子行业获得了灵感。那里的微型化技术导致了智能手机和柔性显示器的诞生，彻底改变了该领域。

剑桥大学研究小组面临的挑战是如何将光吸收剂沉积在轻质基材上，并保护它们免受水的渗透。为了克服这些挑战，研究人员使用了薄膜金属氧化物和被称为钙钛矿的材料，这些材料可以被涂在柔性塑料和金属箔上。这些设备被覆盖在微米级薄的憎水碳基层上，以防止水分降解。结果是一个不仅能工作，而且看起来像真的树叶的装置。

Andrei说：“这项研究表明，人造树叶与现代制造技术兼容，代表着向太阳能燃料生产的自动化和规模化迈出的第一步。这些叶子结合了大多数太阳能燃料技术的优点，因为它们实现了粉末悬浮液的低重量和有线系统的高性能。”

对新的人造树叶的测试表明，它们可以将水分解成氢气和氧气，或将二氧化碳还原成合成气。虽然在它们准备用于商业应用之前还需要进行更多的改进，但科学家们说这一发展为他们的工作打开了全新的途径。

Andrei表示：“太阳能发电厂已经成为流行的电力生产；我们设想类似的发电厂用于燃料合成。这些可以供应沿海居民点、偏远岛屿，覆盖工业池塘，或避免灌溉渠的水蒸发。”

“许多可再生能源技术，包括太阳能燃料技术，可以在陆地上占用大量空间，因此将生产转移到开放水域将意味着清洁能源和土地使用不相互竞争，” Reisner说。“从理论上讲，你可以把这些设备卷起来，放在几乎任何国家的任何地方，这也将有助于能源安全。”