编者按：相较于传统化石燃料，太阳能燃料有着可再生、无污染等特点，因此太阳能燃料的研究一直以来都是一个重要的课题。目前，科研人员在“光电阳极”这种催化剂方面所取得的进展或许将对可再生能源结构产生巨大的影响。而在实际应用方面，这项研究也使得太阳能汽车的普及离我们更近了一步。

科学家们正在尝试开发一种能将水和太阳能转化为燃料的可行办法，而这也是研发未来太阳能动力汽车的至关重要的一步。

科学家们一直在尝试解决太阳能燃料的问题，因为太阳能燃料有着传统化石燃料的所有优点，同时还具有可再生的特点。然而，解决问题的关键在于“光电阳极”的研发进度，这种催化剂能够解决目前太阳能转化率低的困境，而在这之前研究人员很难确定这种物质是否存在。

现在，来自Lawrence Berkeley国家实验室的能源部门与加利福尼亚理工学院的研究人员们一道找到了一个最佳的解决办法。如果他们的试验取得了进展，那么就有可能从根本上改变再生能源的结构。

人工光合作用联合中心首席研究员兼协调员John Gregoire这样说道：“目前电池供电的汽车是比较符合现状的，因为对于电来说，我们已经掌握了其可再生的方式。随着这项技术的不断发展，太阳能供电将会对可再生能源结构产生巨大的影响。”

产生太阳能的过程包括：将水分子暴露于阳光下并将其分解为氢原子和氧原子，然后将氢原子转化为烃燃料或者纯氢气。在这个过程当中，光电阳极是最为重要的部分。Gregoire解释说：“光电阳极的主要作用是吸收阳光，然后使用吸收的太阳能对水进行分解，基本上将H₂O分子进行分裂并重新组合就可以形成燃料了。但是理想的光电阳极需要拥有正确吸收阳光并进行催化的功能，所以目前其仍属于非常罕见的物质。”

事实上，到目前为止光电阳极仍属非常罕见的物质，在过去的40年里，科学家只找到了16种物质可以充当光电阳极。通常来说，只有当科学家在研究某种能够吸收光的物质上碰到了困难时，他们才会进一步去研究这种物质的催化性能，最后才能确定这种物质是否适合当做光电阳极来使用。Gregoire和他的同事们为了改变这种研究进程缓慢的现状，推出了一个新办法来寻找光电阳极，这个办法非常有效，科学家们在过去的两年里已经找到了12个新的可以当做光电阳极的物质。

如何辨别一个物质是否适合当做光电阳极呢？这就需要理论和实践相结合了。科学家们会使用超级计算机辅以约有60000种物质的材料数据库，再通过量子力学来预测每种材料的性质，之后他们会确定某个或某几个最有可能的物质，最后再通过实验来验证他们的猜想是否正确。

加利福尼亚大学伯克利分校的物理学教授Jeffrey Neaton说：“我们的研究方法特别之处在于这个方法是整合了各个方面得出的。我们会先根据第一性原理进行运算，选出合适的物质，之后再测量每个物质的属性，从而知晓我们对其进行测定的标准是否有效。在测定期间我们会引入超级计算机来帮助我们运算，因为我们的数据库中有大约60000种化合物，我们不想一个物质一个物质地进行检测，太耗费精力了。”

这项技术为科学家寻找催化剂指明了方向，并为最终生产太阳能燃料做出了贡献。Gregoire说：“我们最终的产品看起来就像是一个太阳能电池板，里面有三个组件：光电阳极，生产燃料的光电阴极，以及分离这二者的膜。”“尽管这个产品类似太阳能电池板，但是它的能源输出方式并不是通过电线传递，而是通过一个管道来运载燃料。你可以用这个产品来为你的汽车提供电力。它会把产出的能量收集进一个储存罐中，之后你就可以从这个罐中汲取能量来为你的汽车充电了。”

太阳能燃料研究机构的总经理Dick Co说：“这个研究具有十分重大的意义，它的筛选过程也对其他研究有着参考的价值。比如说你为了实现某个实验的成果，你就需要从成千上万个化合物中寻找能够达成效果的物质，然后再通过一些实验从你初步筛选的几十个当中找出一个最优解。这种研究方法非常适合应用在药物研究上，因为制药公司和生物医学的研究人员也需要从不同种类的分子之中找到最合适的那一个来治愈某种疾病。”

实际上，这项技术也让科学家离生产太阳能燃料汽车更近了一步。Gregoire解释说：“太阳能燃料的好处就是它拥有与化学燃料无二的巨大能量密度，同时它还非常易于储存，能够输出的能量也远超我们现在的内燃机和电池。”

文章链接：

Q. Yan, J. Yu, S.K. Suram, L. Zhou, A. Shinde, P.F. Newhouse, W. Chen, G. Li, K.A. Persson, J.M. Gregoire, J.B. Neaton, "Solar fuels photoanode materials discovery by integrating high-throughput theory and experiment", Proceedings of the National Academy of Sciences, (2017). DOI: 10.1073/pnas.1619940114 

（本文来源：36Kr；原文参见这里；）

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