从稀薄的空气中:像树木一样制造燃料

如果我们要把一件事挑选在大自然中会给我们的星球带来最适合，那会是什么？它会根据最大的需求，最陡峭的挑战，最广泛的应用还是最大的影响？

也许它会是图表上的一个点，在那里可行性满足附加价值。或者可能是其他的东西，一些无法描绘的东西，却能激励数百万人的心。

仿生设计的圣杯之一就是人造光合作用(美联社)。很难提出一个具有尽可能多可能后果的竞争对手。我们的世界，无论是自然的还是科技的，都是靠太阳运转的，我们大部分财富的基础可以直接追溯到复杂的、日常的奇迹，就在现在，因为地球上几乎每一种植物的每一片叶子都将阳光转化为糖。我们已经有了光伏板和太阳能热阵列，但这些设备不能像自然那样:精确而迅速地将光能转化为电能，转化为化学能，并生产出易于存储和随意使用的东西。

AP有可能产生多于一种类型的燃料。可以调节光合作用过程，使光，二氧化碳和水之间的反应最终产生液体氢。液体氢气可以燃料氢气发动机或漏斗进入燃料电池设置，这将有效地逆转光合作用过程，通过将氢气和氧气组合到水中来产生电力。

甲醇是另一种可能的产量。这种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

如果我们能只利用阳光、二氧化碳和水来制造糖，我们的世界会是什么样子?一个AP系统或一个光电化学电池，可以模拟在植物中发生的事情，可能创造一个无限的，相对便宜的供应所有清洁液体燃料和电力，我们需要储存形式。

能够生产一种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，水和二氧化碳的供应量都很大，因此它可能是一种几乎无限的能源，从长远来看，它可能比其他能源更便宜。这种光电化学反应甚至可以用于去除有害的CO₂从空气中生产燃料的过程。

到达那里

所以，如果美联社是自切片面包以来最伟大的东西，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:光收集基础设施所需要的大量材料的复杂性和成本。

由于成本问题，公共部门承担了大部分研发工作。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枢纽在美国;荷兰朝向双太阳细胞联盟;以及韩国的人工光合作用中心。

在私营部门内，也有一种严重的努力，在包括Sun Catalytix和Hypersolar Inc.的挑战中，包括Sun CatalyTix和Hypersolar Inc.2。美国公司展示了基于市场的生物技术发展的潮起潮落和流动。

太阳催化剂和超色铅AP场

这些公司的AP目标是仅模仿光合作用的第一部分 - 将水分裂成氢气和氧气。然后将氢气用于燃料电池以产生电力。通过电催化过程传统上水分分开。昂贵的铂用作催化剂，所需的电力由化石燃料的燃烧产生。当使用太阳能提供电力时，太阳能电池板和所谓的电解器通常被建造为单独的单元。大部分研究涉及从过程中消除稀有材料和化石燃料，降低能量输入并将太阳能收集与水分裂相结合。纳米技术为此提供了重要的前景。

太阳催化剂剑桥，质量。，在AP字段中是一个Frontrunner，但似乎已经暂停了它对商业AP设备的追求。自2009年以来曾致力于基于Daniel G. Nocera的原始研究开发人造叶子，该研究是Massachusetts理工学院和他的团队的Patterson Rockwood能源教授。他们最近的原型通过将光收集和催化功能组合成一个装置，并通过使用无极毒溶液的廉价催化剂来推进该领域。人造叶是催化剂涂覆的硅晶片。

在美国化学学会2013年4月的全国会议上，Nocera吹嘘他的人造叶子是发展中国家当地能源生产的可能答案，他声称把这种叶子放在一夸脱的脏水里，一天24小时就能产生100瓦的电力。叶子也具有自我修复能力，他们设计的催化剂可以分解成凹凸不平的纳米表面，以防止形成生物膜。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，但该公司在2012年5月宣布，它无法制造出具有经济竞争力的产品，并将在实地测试另一种原型之前研究尚未开发的半导体材料。该公司仍致力于利用地球上丰富的材料将一种无线太阳能氢装置商业化。Sun catalyst的大部分工作都是由北极星风险投资公司(Polaris Venture Partners)、印度塔塔集团(Tata Group)以及美国能源部(U.S. Department of Energy) 400万美元的ARPA + E资助的。

根据《自然新闻》(Nature News)上的公告，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，而人造叶子的成本为6.50美元。相比之下，从化石燃料中制造一公斤氢的成本为1至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——但这些需要尚未发明的半导体材料。”

这可能是没有意义的短期内，因为该公司似乎已经转移到促进流电池。它通常被用作电网的备用电池，由水电解质组成，通过泵送膜产生电化学反应，并收集其能量。虽然这个领域的竞争很激烈，但技术比较熟悉，市场也比较熟悉。该公司刚刚向5位未具名的新投资者发行了约400万美元的股票，并希望再筹集800万美元。

Hypsolar的高希望

相比之下,Hypersolar Inc.是一家位于加利福尼亚州圣巴巴拉的公开交易公司。最近仍然乐观，并宣布它已达到一个重要的里程碑，以便在零碳过程中为竞争价格制作零碳过程中的氢气。

该公司开发了一种燃料电池，产生一伏的电力，一般认为是一个重要的里程碑。将水分成氢气和氧气需要1.5伏，因此这仍然是害羞的标志，但在公司开始的0.8伏生产上的显着改善。迄今为止，分裂水的最便宜方式是使用硅太阳能电池技术，但这些通常是每块电池0.7伏的低功率生产商。诀窍是以较低的成本制作更多的功率，主要是制造半导体材料的关键。

Hypersolar已经证明了它们的H2Generator细胞的小型原型面板，其可以浸入脏水中并直接产生氢。本公司打算将此扩展到商业规模，但仍有待观察到的是什么形状。设计过程中的主要考虑在于保护半导体材料免于太阳的劣化。

首席执行官Tim Young解释说:“使用太阳能到燃料转换过程中的一个大障碍是半导体材料的抗光腐蚀稳定性。”“我们开发了一种高效、低成本的保护性聚合物涂层，并且具有良好的导电性，这是我们在利用太阳能从水中提取可再生氢这一具有成本效益的方法方面取得的一项重大成就。”

Hypsolar声明它将通过使用批量化学过程从廉价材料制造纳米颗粒，而不是使用传统和更昂贵的半导体工艺和设施来开发这种材料。

每个纳米粒子“是一种完整的氢气发生器，含有新的高压太阳能电池通过专有的封装涂层粘合到化学催化剂，”该公司在最近的新闻稿中表示。

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

由Chyrko Olena Via的绿叶图像Shutterstock.。