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未来人造树,让我们榨干阳光吧!

arkark 发表于  2011-04-21 09:37
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世界各处再也看不到标志着工业化进步的工厂和烟筒,看到的只是一片一片广袤的森林,满眼的绿色,所有建筑物的顶端也都覆盖着树叶,道路旁,河流边是一株株枝叶繁茂的大树,大街上的行人,全都身披树叶。

……

难道这是经历了2012浩劫之后的人类回到了原始社会?仔细观察,你会逐渐发现端倪——所有的“叶子”四季常青,并且会调整自己的姿态,一直以最大的面积朝着太阳,“树”下面是错综复杂的管道网络,有的“树”在源源不断地生产氢气,有的“树”则源源不断地发电;人身上的“树叶”,也是连接着各种各样的电子设备;氢能汽车穿梭在街道,当需要补充燃料时,只要连接到树上,就能得到补充。

原来,这是——“光”着的未来。“森林”就是我们未来的发电厂和化工厂,利用太阳能生产我们需要的一切。

这只是我们幻想的未来的美丽图景,但是现在,科学家们正在努力进行太阳能利用的研究,加快我们到达未来的速度。

自然界中利用太阳能最好的方式莫过于植物的光合作用——利用光能,经过一系列复杂的酶促生物化学反应,产生氧气和有机物。人们则从中获得启发,利用太阳能催化水的光解,生产氢气和氧气。最初水的光解,并不是对树叶的模拟,而是1967年发现的“本多•藤岛效应”(Honda-Fujishima Effect)[1]——TiO2在紫外光的照射下能够催化水分解为氢气和氧气,而起到催化作用的TiO2,叫做光触媒(Photocatalysis)。在随后的三十多年的实践中,科学家们不断地改进分子组成和结构,使光触媒的性能持续提高,由最初简单的TiO2晶体到现在复杂的具有共角的 TaO6 八面体结构钽酸盐晶体,量子效率也提高到了56%[2],MIT的研究人员更是利用廉价的钴和镍制作出了“人造树叶”[3],但是这些无机光触媒的研究,却始终不得植物光合作用的“真传”。

而我国的女科学家,中科院理化技术研究所的吴骊珠研究员,则进行了树叶中叶绿体光合作用功能的仿生研究。她利用氢化酶等一系列有机催化剂,实现了从水中制备氢气的反应[4]。不仅如此,她还构建了搭载酶的高分子催化体系,相当于建造了一个“微型工厂”,把散兵游勇般存在的催化剂以高效的方式集合起来,仿佛搭建起一个催化水产氢的“生产线”,大大提高了反应的效率。

太阳能的光化学利用,还能够帮我们进行化工生产。16-DPA(双烯醇酮醋酸酯)是调节糖代谢,抗炎,抗过敏等药品的中间体,传统的热化学制作工艺使用三氧化铬作为氧化剂,能耗高,并且会产生大量的含铬废水,所以邪恶的西方发达国家在2006年就禁止该产品生产,一律采用进口的方式,企图以高额的利润诱惑我们在生产的同时破坏环境。而我们则利用太阳能的光催化技术,使用空气中的氧气作为氧化剂,生产16-DPA[5]。这是现在已经实现的一个例子,也许在未来只要有适当的催化体系,是人造的“光合作用”不仅能够生产有机物,还能生产药品、日用品、甚至能够提供组装重工业产品,采用“种树”的方式几乎能够代替现在所有的化工厂。

为了达到需求,我们要求“森林化工厂”不放过几乎所有的太阳能,这就需要科学家在太阳能利用光谱上做文章。能够到达地面的太阳光光的波长范围是290nm ~ 4000 nm之间,紫外光占约3%,可见光44%,红外光53%[6]。植物的光合作用的光吸收峰是在680 nm 和700 nm,早期的光催化反应的吸收范围集中在紫外光区,这显然是浪费掉了大量的太阳能。森里工厂能够利用几乎所有的太阳能的奥秘在于——染料敏化技术。在所有的“树叶”表面涂有一层染料,但并不是为了使“树叶”更加漂亮光鲜,而是为了吸收更广泛的太阳能光谱,进而将这些能量传递给真正的生产过程,就好比是“树叶生产车间”的预处理工厂。香港大学的任詠华教授就在进行这样的研究,并取得了杰出的进展。她创造性地在大有机分子中间添加金属核构造出有机金属,通过使用不同的金属核以及周围的有机分子的性质,能够吸收不同波长的光,拓宽光敏材料的相应光谱范围。在她的研究中,可以使用铂、金等贵金属,更先进的是可以使用铜、银的配合物,在保证效率的同时大幅降低成本。她还研究出的新型发光材料,应用于白OLED灯管,降低了电能向热能的转化,更高效地转化为光能,大大节省了用电量,相当于以另一种形式,“产生”了能源。正是因为在这方面的突出贡献,2011年她获得了有“女性诺贝尔奖”之称的欧莱雅-联合国教科文组织 “世界杰出女科学家成就奖”[4]。

2011年是国际化学年,口号是“化学——我们的生活,我们的未来”[7]。相信太阳能的未来能够被“有用的化学”修饰的更加绚烂。

参考文献 [1] 维基百科,http://en.wikipedia.org/wiki/Photocatalysis

[2] 温福宇,杨金辉,宗旭等 太阳能光催化制氢研究进展 化学进展 2009,21(11):2285-2302

[3] http://www.guokr.com/article/18164/

[4] 欧莱雅-联合国教科文组织“为投身于科学的女性”官方网站,http://www.forwomeninscience.com

吴骊珠,中国科学院理化技术研究所,研究员,获得中华全国妇女联合会、中国科学技术协会、中国联合国教科文组织全国委员会及欧莱雅(中国)共同举办的第七届"中国青年女科学家奖"。

任詠华,香港大学,教授,中国科学院院士,获得2011年欧莱雅-联合国教科文组织 “世界杰出女科学家成就奖”。

[5] http://www.21zt.net/lunwen/show-5.html

[6] http://almashriq.hiof.no/lebanon/600/610/614/solar-water/idrc/01-09.html

[7] http://www.iyc2011.cn/

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全部评论(52)
  • 1楼
    2011-04-21 10:10 如果星 地理信息系统硕士

    好创意,希望多出来一些能人志士,研究降低太阳能发电成本、增强转换率的方法,逐渐替代传统发电

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  • 2楼
    2011-04-21 10:35 肚空空

    如果能解决传输问题,最好是架到太空里去,没有了大气的弱化,能量会更允足吧

    [0] 评论
  • 3楼
    2011-04-21 13:29 thread

    太阳能的转化会不会让地球变冷?

    [0] 评论
  • 4楼
    2011-04-21 15:41 w13733835287
    引用thread的回应:太阳能的转化会不会让地球变冷?

    +1
    我也在想,光电转换率提高了,地球上到处都是太阳能电池板之后,原本由地球获得的太阳能被电池板截取了,地球上的温度怎么办?大气循环怎么办?看过一篇科幻小说,讲的是人类用巨大的电池板在太空中把太阳包围了,地球上都见不得阳光了,只能使用照明。

    [0] 评论
  • 5楼
    2011-04-21 17:10 冰糖大 果壳网策划主编

    呃………………

    引用thread的回应:太阳能的转化会不会让地球变冷?
    [0] 评论
  • 6楼
    2011-04-21 20:09 唱歌的蚍蜉

    饿,可能性不太大
    冷也冷不了多少
    再说,人类不可能铺满地球吧
    而且,建造者肯定会想到这些问题的

    引用肚空空的回应:如果能解决传输问题,最好是架到太空里去,没有了大气的弱化,能量会更允足吧
    [0] 评论
  • 7楼
    2011-04-21 20:09 唱歌的蚍蜉
    引用肚空空的回应:如果能解决传输问题,最好是架到太空里去,没有了大气的弱化,能量会更允足吧
    [0] 评论
  • 8楼
    2011-04-22 00:43 丁仪永生

    如果技术许可,最好的办法是围着太阳附近吧?然后把少部分能量作为“人造太阳”供给地球自然界的能源。毕竟如今自然界利用的太阳能只是零头。

    [0] 评论
  • 9楼
    2011-04-22 15:11 肚空空
    引用thread的回应:太阳能的转化会不会让地球变冷?

    如果从能量守恒的角度来说,应该不会,无论是变成热能还是电能都是能量,最终还是会还原为最根本的能量形式,就象我们燃烧煤碳并不会使全球变暖,导致温室效应的是过量二氧化碳导致的散热不良是一个道理

    [0] 评论
  • 10楼
    2011-04-22 15:49 冰糖大 果壳网策划主编

    重点是“光”着的世界

    [0] 评论
  • 11楼
    2011-04-22 15:50 冰糖大 果壳网策划主编


    引用肚空空的回应:引用thread的回应:太阳能的转化会不会让地球变冷?如果从能量守恒的角度来说,应该不会,无论是变成热能还是电能都是能量,最终还是会还原为最根本的能量形式,就象我们燃烧煤碳并不会使全球变暖,导致温室效应的是过量二氧化碳导致的散热不良是一个道理
    [0] 评论
  • 12楼
    2011-04-22 17:14 闪电贝贝

    想法确实很好,既节省灌溉所需的水源,也充分利用了天然能源,很符合现代思路!赞!!!

    [0] 评论
  • 13楼
    2011-04-22 17:18 已注销用户

    但是始终还是缺少些自然的元素,正真的植被还是不可缺少的

    引用闪电贝贝的回应:想法确实很好,既节省灌溉所需的水源,也充分利用了天然能源,很符合现代思路!赞!!!
    [0] 评论
  • 14楼
    2011-04-22 17:23 跳动的弦

    科技创造未来 但是树都是机械的了 有点不适应

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  • 15楼
    2011-04-22 17:27 亚特兰提斯

    以后会成为机械化的世界吗

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  • 16楼
    2011-04-22 17:31 小屁孩~

    这个创意好 能源能得到最大化的运用

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  • 17楼
    2011-04-22 18:16 lydy1993 矿晶控

    世界化学年!!!大爱!

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  • 18楼
    2011-04-22 19:03 sider
    引用thread的回应:太阳能的转化会不会让地球变冷?

    变热

    [0] 评论
  • 19楼
    2011-04-22 21:36 乐见其成

    今天还看《第一财经周刊》上又写了篇关于模拟光合作用的文章。光伏的提升空间确实有限,光化学,不错。

    [0] 评论
  • 20楼
    2011-04-22 21:52 choco

    想起很久前科幻世界上某篇叫《刀兰》的文章

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  • 21楼
    2011-04-25 21:56 Feburary Berry
    引用冰糖大的回应:重点是“光”着的世界


    嗯嗯嗯

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  • 22楼
    2011-04-27 11:10 yajigg

    能量的转换的消耗都是要产生热量的,这个应该不用担心吧。

    引用w13733835287的回应:引用thread的回应:太阳能的转化会不会让地球变冷?+1我也在想,光电转换率提高了,地球上到处都是太阳能电池板之后,原本由地球获得的太阳能被电池板截取了,地球上的温度怎么办?大气循环怎么办?看过一篇科幻小说,讲的是人类用巨大的电池板在太空中把太阳包围了,地球上都见不得阳光了,只能使用照明。
    [0] 评论
  • 23楼
    2011-04-27 11:15 yajigg
    引用yajigg的回应:能量的转换的消耗都是要产生热量的,这个应该不用担心吧。引用w13733835287的回应:引用thread的回应:太阳能的转化会不会让地球变冷?+1我也在想,光电转换率提高了,地球上到处都是太阳能电池板之后,原本由地球获得的太阳能被电池板截取了,地球上的温度怎么办?大气循环怎么办?看过一篇科幻小说,讲的是人类用巨大的电池板在太空中把太阳包围了,地球上都见不得阳光了,只能使用照明。

    而且也只是城市部分使用。。。

    [0] 评论
  • 24楼
    2011-04-28 16:30 Shiva_guokr
    引用丁仪永生的回应:如果技术许可,最好的办法是围着太阳附近吧?然后把少部分能量作为“人造太阳”供给地球自然界的能源。毕竟如今自然界利用的太阳能只是零头。

    请搜索Dyson球。。。

    我觉得分布式能源供给是很好的缓冲。。。
    但是整体上还是期待聚变能。。。

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  • 25楼
    2011-04-30 23:47 秋收的娃娃

    呵呵,果真会这样吗???

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  • 26楼
    2011-05-01 17:56 qq912293672

    人的身上就被必要弄上这个了吧

    [0] 评论
  • 27楼
    2011-05-04 22:17 善于等待的人

    这个比核能有前途啊

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  • 28楼
    2011-05-08 09:28 树之冠

    不是前段有报道国外已经做出光合作用了吗

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  • 29楼
    2011-05-09 09:26 陈安祺Johnny 互联网创业者

    配图很漂亮。

    人造树利用太阳能领域在工业上应用很不错,但不看好在个人及消费领域上的应用前景。最有可能的是用大规模的人造太阳能森林取代火力或核电站。

    [0] 评论
  • 30楼
    2011-05-09 13:06 explnx
    引用thread的回应:太阳能的转化会不会让地球变冷?

    只能增加温度

    [0] 评论

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