模擬大自然中植物的光合作用，用陽光、水和二氧化碳制造出可按需使用的化學能源，這是2010年美國人工光合作用聯(lián)合中心(JCAP)成立時的主要目標。5年來該中心的研究取得重大進展，他們首次使用高效、安全、集成的太陽能系統(tǒng)分離水分子并制造出氫氣燃料，新研究的系統(tǒng)實驗證明可將10%的太陽能轉化為化學能。

這種被稱為“人工樹葉”的新系統(tǒng)包含三種主要部件：兩個電極——一個光電陽極、一個光電陰極，還有一層薄膜。光電陽極利用陽光來氧化水分子，產生質子、電子和氧氣。光電陰極將質子和電子結合起來產生氫氣。該系統(tǒng)的關鍵部分是塑料薄膜，它可以保證氧氣和氫氣的分離。如果兩種氣體混合起來并被意外點燃，可能會產生爆炸，這層薄膜可以讓氫氣在壓力條件下單獨被收集起來，并被安全送入管道。

硅和砷化鎵等半導體可以高效吸收光，因此被廣泛用于太陽能電池板中。但是這些材料遇水會氧化(生銹)，因此無法直接用于“人工樹葉”系統(tǒng)。JCAP的研究人員在電極上添加了62.5納米厚度的二氧化鈦涂層，在允許光照和電子通過的同時有效地阻止了以砷化鎵為材料的光電極的生銹。

新系統(tǒng)的另外一個突破是使用了活躍的、成本低廉的催化劑來制造能源。光電陽極需要一種催化劑來促使分離水分子的化學反應發(fā)生。稀有而昂貴的金屬如鉑可以作為有效的催化劑。不過，該團隊發(fā)現(xiàn)，將2納米厚度的鎳添加在二氧化鈦薄膜表面，可以作為更有效且更低廉的催化劑。

這一集成系統(tǒng)的面積約為1平方厘米，可以將10%的太陽能轉化為能儲存的化學能，并可持續(xù)工作40小時以上。JCAP科技總監(jiān)、加州理工學院化學教授納特·路易斯說：“這個新系統(tǒng)打破了人工樹葉技術在安全、性能和穩(wěn)定方面的綜合紀錄。”

“我們的研究證實了在一個集成系統(tǒng)中，使用廉價組件，高效并安全地從太陽能中生產燃料是有可能的。”路易斯說，“當然，我們還需要繼續(xù)下工夫延長系統(tǒng)壽命并設計出低成本生產這種系統(tǒng)的方法，這兩項工作都在進行中。”