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人造光合作用技术稳步朝现实世界迈进

2013-03-07 09:55
水墨黯月
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  美国麻省理工学院(MIT)近日在最新的美国国家科学院(National Academy of Sciences,NAS)期刊发表了以人造光合作用技术(artificial photosynthesis technologies)为基础的永续性科技蓝图;该份详细的科学分析文件,为新一代节能技术建立了基准,并列举了建立以人造光合作用为基础的永续性“氢经济(hydrogen economy)” 所需的技术研发成果。

  MIT 表示,有兴趣的工程师们可藉由该文件(参考连结)来了解目前相关技术的情况,以及如何让那些技术实际运用、降低成本以及商业化。“最值得注意的是,这个我们形容为“出发点(starting point)”的技术是已经获得公认;”MIT教授Tonio Buonassisi指出:“我们也提出所有的挑战,因此科学研究人员与工程师可开始实验性地应对每个挑战。”

  该技术蓝图是Buonassisi与前任MIT教授Daniel Nocera (现任职哈佛大学)、前MIT博士后研究员Mark Winkler (现任职IBM),以及前任MIT博士后研究员Casandra Cox (现任职哈佛大学)等人的合作成果。这些研究人员已经制作出一个人造光合作用的概念验证原型,在NAS发表的论文则是第一次提出可实现的技术蓝图。

  在自然界,植物透过光合作用将自然资源──水以及吸取自土壤的养分──转换成称之为三磷酸腺苷 (adenosine triphosphate,ATP)的“燃料”,可储存起来并在植物进行代谢时提供所需能量。根据MIT的论文,第一代人造光合作用技术采用的光电电池(photovoltaic cells)外面涂布了化学催化剂,能最佳化将水透过电解作用转换为氢燃料的过程;然后再利用燃料电池将储存的氢燃料转换成可用电力。

图A是采用直接光电耦合的电化学电池电路;一边是单个光电电池(图B左),一边是三个指叉型光电电池(图B右)

  据了解,目前的人造光合作用技术转换效率不到5%,但研究人员预期,若该技术依循蓝图发展,未来采用标准晶矽太阳能电池的效率可超越16%,若采用砷化镓(GaAs)材料甚至可达到18%的转换效率。MIT的技术蓝图将不同型态的新一代光电电池以及化学催化剂相互搭配,并提出将电池堆叠起来的多种方法,以最佳化电解作用、达到更高的电压。

  该技术蓝图也记载了如何同时藉由化学方法与物理架构──例如交错排列的平面(interleaved plate)──来降低电解质(electrolyte)的阻抗,以维持渐进式的效率提升。MIT研究专案的赞助者还包括美国国家基金会(NSF)、美国空军科研办公室(the Air Force Office of Scientific Research)、新加坡国家研究基金会(MIT与新加坡的研发联盟) ,以及Chesonis 家族基金会。

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