从稀薄的空气中:像树一样制造燃料

如果我们挑一两件事的性质，将带来最好我们的地球模仿，那会是什么？难道是基于最需要，最陡的挑战，应用最广泛的还是最大的影响？

也许它会是图表上可行性与附加价值相匹配的一个点。或者，它可能是其他的什么东西，一些没有消息的东西，将激励数以百万计的心。

生物灵感设计的圣杯追求之一是发展人工光合作用(美联社)。很难提出一个可能带来如此多后果的竞争对手。我们的世界，无论是自然的还是科技的，都是靠太阳运转的，而我们大部分财富的基础可以直接追溯到复杂的、每天都在发生的奇迹，现在，地球上几乎每一种植物的每一片叶子都将阳光转化为糖分。我们已经有了光伏板和太阳能热阵列，但这些设备并不能做大自然所做的事情:精确而迅速地将光能转化为电能转化为化学能，并生产出易于储存和随意使用的东西。

AP具有生产多种类型的燃料的潜力。光合作用过程可以被调整，以使得光，二氧化碳和水之间的反应中最终产生的液态氢。液态氢可能加剧氢动力引擎或被漏斗进燃料电池的设置，这将有效地逆转光合作用过程，通过氢和氧结合成水产生电力。

甲醇是另一种可能的产出。光电化学电池可以产生甲醇燃料，而不是在光合作用过程中释放纯氢₃哦)。

改变游戏规则

如果我们只能从阳光、二氧化碳和水中制造糖，我们的世界会变成什么样子?一种模仿植物的AP系统或光电化学电池有可能创造出一种无限的、相对便宜的、可储存形式的清洁液体燃料和电力供应。

能够生产清洁燃料而不产生任何有害的副产品——如温室气体——使AP成为一种理想的环境能源。它不需要开采、种植或钻探。目前水和二氧化碳都有大量的供应，所以它实际上可能是一种无限的资源，也许从长远来看比其他能源形式更便宜。这种光电化学反应甚至可以用来去除有害的CO₂从生产燃料的过程中的空气。

到达那里

那么，如果美联社是继切片面包之后最伟大的东西，为什么我们不在地球上的任何地方使用它呢?好问题。答案似乎是:光采集基础设施所需的大量材料的复杂性和成本。

由于成本的原因，公共部门承担了大部分的研究和开发。这三个主要的公共资助研究中心包括人工光合作用联合中心(JCAP)，这是三个研究中心之一能源创新中心在美国;荷兰的向比索细胞联合会;以及韩国人工光合作用中心。

在私营部门，也有在破解这一难题，包括Sun Catalytix和HyperSolar公司两个美国公司认真努力说明了低潮和以市场为基础的生物技术发展的潮流。

孙Catalytix和HyperSolar铅AP场

这些公司的AP的目标是模仿光合作用只的第一部分 - 水分解成氢气和氧气。氢，然后在燃料电池中产生电力使用。水通过的电催化方法传统上分裂。昂贵的铂作为催化剂和所需的电力是由化石燃料的燃烧产生的。当使用太阳能发电，以提供电，太阳能电池板和所谓的电解槽通常已建成为单独的单元。大多数研究涉及消除稀有材料和化石燃料的过程中，降低了能量输入和太阳能收集与水分解相结合。纳米技术提供了这种显著的前景。

孙Catalytix马萨诸塞州剑桥，一直在AP领域的领跑者，但似乎在寻求已经暂停商业AP设备。它自2009年以来一直致力于开发基于丹尼尔·诺塞拉，能量在麻省理工学院帕特森罗克伍德教授和他的团队的原创性研究的人工树叶。他们最近的原型已经通过结合捕光催化和功能集成到一个设备，并且通过使用无剧毒溶液制成的廉价催化剂先进领域。人造叶子是催化剂涂覆的硅晶片。

在今年4月举行的美国化学学会2013年全国会议上，Nocera吹嘘他的人造树叶是发展中国家当地能源生产的一种可能的解决方案，声称人们可以把树叶放入一夸脱的污水中，一天24小时发电100瓦。叶子也可以自我修复，他们设计的催化剂可以分解成凹凸不平的纳米表面，阻止生物膜的形成。它被描述为“第三世界的个性化能源”。

尽管有了这项开创性的工作，该公司仍在2012年5月宣布，它无法生产具有经济竞争力的产品，并将在实地测试另一个原型之前，对一种尚未开发的半导体材料进行调查。该公司仍然致力于将一种使用地球上丰富的材料的无线太阳能氢装置商业化。Sun Catalytix的大部分工作都得到了北极星风险投资公司、印度塔塔集团以及美国能源部ARPA + E项目400万美元的资助。

根据《自然新闻》(Nature News)上的公告，利用太阳能电池板和电解装置制造氢的成本为每公斤7美元，而人造树叶的价格为6.50美元。相比之下，从化石燃料中制造一公斤氢的成本是1到2美元。随着太阳能电池价格的下降，该公司将考虑“更便宜的设计——但这需要尚未发明的半导体材料。”

这可能是没有意义的短期，因为该公司似乎已转移到促进流电池。它通常用作电网的备用电池，包括水电解质泵过膜产生电化学反应以获取电力。虽然这个领域的竞争很激烈，但技术更熟悉，市场也更为人所知。该公司刚刚从五位未透露姓名的新投资者那里获得了约400万美元的股权，并希望再筹集800万美元。

HyperSolar寄予厚望

相比之下,HyperSolar公司总部设在加利福尼亚州圣巴巴拉。一家上市公司，仍然看好它的前景，最近宣布，它已经达到了追求使氢燃料的零碳进程具有竞争力的价格的一个重要里程碑。

该公司已开发出发电的一伏，通常被视为一个重要的里程碑的燃料电池。它采用1.5伏到水分解成氢气和氧气，所以这仍是害羞的标记，但在0.8伏制作公司开始了显著改善。迄今为止，以分裂水的最便宜的方法是使用一个硅太阳能电池技术，但这些典型地以每个细胞0.7伏的低功率生产者。诀窍就是让更多的权力以更低的成本，关键是你如何制造半导体材料。

HyperSolar已经证明其H2Generator细胞的一小试制面板可浸泡在脏水和直接产生氢。该公司打算扩大这个长达一个商业大小，但它仍有待观察，将采取什么样的形状。在设计过程中的一个主要的考虑是由太阳保护半导体材料免于降解。

首席执行官Tim Young解释说:“使用太阳能转化为燃料的过程的一个大障碍是半导体材料抗光腐蚀的稳定性。”“我们开发了一种高效、低成本的保护聚合物涂层，它还具有良好的导电性，这是我们开发一种成本效益高的方法，利用太阳能从水中提取可再生氢的重大成就。”

HyperSolar权利要求，这将通过使从使用间歇化学过程，而不是使用传统的和更昂贵的半导体工艺和设备廉价的材料的纳米颗粒开发这种材料。

每个纳米粒子“是一个完整的氢生成装置，其中包含由专用的封装涂层结合到化学催化剂的新型高压太阳能电池”，该公司在最近的新闻发布所述。

世界仍在等待一种无处不在的设备，它能将稀薄的空气、水和阳光转化为碳基燃料，但在巨大的潜力和对这一自然奇迹的迷恋的推动下，激烈的追逐还在继续。

经由由Chyrko奥莱娜绿叶图像存在Shutterstock。