论文化学与能源

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1、论文化学与能源日期：2010-12-29冋归人自然的设计——化学能源仿生学能源、材料和信息被称为人类社会发展的三大支柱。随着经济和社会的发展，能源需求量在扩增，能源存储量却在逐步下降，如何从根本上解决能源问题，这不仅需要我们关注能源的开发，更需要我们回归本初，从能源的利用率着手。人类工业文明出现不过几百年，煤炭、石油等化石能源就日渐枯竭，加上气候变暖和环境污染等，已严重威胁人们的生存。与之相比，大自然用其神奇的能量循环和分配系统，使整个生物圈儿十亿年相安无事。无论从哪一方面讲，白然的方式都比人工的來得高明。

2、迄今为为止，人们在开发新能源，提髙能源转化率等方面已取得了不少成就，但和生物界相比则又显得渺小To-•般的电灯，有90%以上的电能是转变为热能而浪费掉的，即便是节能灯也要浪费65%以上的电能。而生物体内进行的光能、电能、化学能等各种能量间的转换，其效率之高已为人所知。如荧火虫通过口身萤光素和萤光酶的作用，发光率竟达100%。纶物体利用食物氧化所释放能量的效率是70%-90%,而我们利用燃烧煤或石汕能量的效率通常只冇20%-40%o在能源H趋短缺的今天，模仿牛:物高效利用能虽的技能已成为节能研究的重要课题，同

3、时对开发新能源也有极其重大的指导意义。A、理解光合成和化学转化过程的基木原理将使科学家们创造岀仿生个物分子系统和更有效的能源系统。在发展人造光伏合成天线中进行了很多工作，包括提供快速电子转化，通过长寿命电荷的分离可产生化学电1势的人工反应中心。正如在光化合反应小，聚集光能骡动一系列反应，比如水分解成氢气和氧气。在从质子到氢的催化过程中会产牛更广泛的进展。一些催化剂可以用来模仿氢化酶的活性。我们也町以克服水氧化过程中的限制步骤，通过仿生催化剂将氧气原子氧化为氧气。在所有的光合作用过程中，生物体内能量的转化主要

4、通过电子结合来进行，而能量在分子间的转移方向受到色素蛋门复合体电能的控制。蛋门复合体屮的色索分子，有着某种相对确定的运动方向。它们在接受到阳光后，偏振运动沿着分子轴进行。我们在搞清楚这一系列德尔光合作用过程、揭开了这过程中所有前因后果的神秘而纱后，我们完全就可以按照这一过程、其至继续将这一过程展开來，利用这一•偏振原理，将光合作川过程导入到我们所需要的方向上去。在不远的将来，科学家或许可以利用人造合成装置，在吸收大气中二氧化碳的同时，产生出人们所需要的能量，在实现环保的同时还能解决能源制造问题。根据电化学理

5、论，拆开水分子需要的能量足以摧毁任何生物分子。然而，植物每天都在进行这一反应，却没有对自身产生不良影响。秘密位于催化核心的结构当中。研究人员已发现，特殊的蛋白质“光合体系II”作为催化剂载体，起催化作用的是一种含镒的生化酶。这一发现对于了解和复制水的裂解化学过程具有重要意义。在没有绿色植物这个光合作用载体的情况下，人们期望找到一种人工催化剂以替换“光合体系II”。加州大学劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员止是找到了高效的催化剂——氧化钻纳米颗粒，实现了高转化率的光解反应。无论从催化剂的易得性、纳米团簇的稳立性

6、、反应中所加的电压，还是酸碱度、温度方而來说，氧化钻的催化效率已同“光合体系1【”相当。研究人员的下一个任务是，建立一个切实可行的太阳能能量转换系统，将反应产生的氢气以无污染的方式转化成能量。2尽管取得了重大进展，但并非可认为绿色能源近在眼前。目前人工光合作川面临着三大难题：如何捕捉太阳能；如何以电了的形式将太阳能转运到反应中心；如何在光合作用的循环过程中补充电子。其中前两个难题已经基木得到了解决，但至今还不知道如何解决第三个难题。要解决这个问题最好的办法就是，彻底弄淸光合作用的反应机理。光介作用的基本过程

7、是在叶绿体内进行的。叶绿体吸收光了，并传导给叶绿素，使它释放出高能电子，川于将二氧化碳还原为糖。叶绿素分子每丢失1个电子，催化核心就会从水分子中抽取1个电子为其补充。这样，经过4轮电子转移，两个水分子转化为1个氧气分子、4个电子和4个氢离子，然后重新开始新一轮的循环。但在人工过程中很难实现电子补充，在循环过程中将这一难题尽快攻破，到时更冇甚者人类就能像植物一样，将太阳光转化为可以利用的能量。B、如今，我们以更加系统的方式观察人自然，希望能够为人量实际问题找到对持续的解决方案——现有的解决方案常常不是有害于环

8、境，就是能效太低。化学仿生学是对自然物质的研究再创造,而不是简单的模仿。例如,染料敏化太阳能电池(dye-sensitizedsolarcell,DSSC)就是一项很有意思的创新。我们需•要的是某种像树叶一样，能够依靠自身的机制，进行奇妙的能量转换的东西。对植物光合作用的模仿促成了染料敏化太阳能电池的开发。科学家迈克尔•格拉泽尔(MichaelGratzel)和布赖恩•奥里甘(Brian0,Regan)在两层玻璃