“我們已經開發出一種新型保護膜，它能使太陽能分解生產燃料的效率、穩定性以及效果將達到前所未有的高度，安全性也很好，不會產生易爆的氫氧混合物。”來自加州理工大學的該發明的合作者之一，喬治·阿吉羅斯教授（George L. Argyros Professor）奈特·路易斯（Nate Lewis）介紹了他們的新成果。這一研究刊登於今年3月9日上線的美國國家科學院院刊（PNAS）網絡版上，詳細描述了這種新型保護膜。
這張膜能讓我們創造出一個安全、高效的人工光合作用系統，俗稱太陽能燃料製造機或者“人工樹葉”。“人工樹葉”複製了自然界中植物利用陽光將水、二氧化碳轉化成氧氣和碳水化合物類燃料的過程。
人工樹葉
加州理工大學人工光合作用聯合中心（JCAP）的“人工樹葉”項目包含了3個主要的組合部分：兩種電極——光陽極和光陰極以及薄膜。
光陽極利用陽光氧化水分子產生氧氣、質子和電子，而光陰極利用光陽極產生的質子和電子合成氫氣。膜，通常用塑料製成，用來將這兩種氣體隔開，以防止任何可能性的爆炸。然後在一定的壓力下這些氣體會被壓入管道收集起來。
光陽極利用陽光氧化水分子產生氧氣、質子和電子
科學家們已經嘗試過用硅或者砷化鎵這類用在太陽能電池板上能夠吸收光的普通半導體來製作電極，然而主要問題是這些材料碰到水會容易氧化，也就是生銹。
之前，路易斯與其他科學家也嘗試為這些電極穿上保護膜，但由於種種原因，實驗都失敗了。“理想的保護膜需要符合很多條件，要與它所覆蓋的半導體能夠在化學上相容，不透水，能導電，透明度要高能保證透光，容易被催化產生反應，釋放氧和燃料。”路易斯，這位JCAP的科學帶頭人說，“造出符合上述任一條件的保護膜都是一項重大的飛躍，而我們現在一次性都做到了。”
路易斯團隊展示了他們的氧化鎳薄膜，可以用在包括硅、磷化銦、碲化鎘在內的多種半導體材料上。尤其在保護光陽極上，氧化鎳薄膜的優越性能遠遠超過了其他類似的保護膜。
路易斯去年就做過一張這樣不怎麼樣卻相當複雜的膜。氧化鎳膜只有一層，而這張膜有兩層，主要成分是二氧化鈦（TiO2），一種天然化合物，常見於防曬霜、牙膏和白塗料的配料中。
路易斯團隊展示了他們的氧化鎳薄膜
路易斯團隊發明的製作氧化鎳薄膜新技術需要將粉碎的氬原子在富氧環境下放入高速轉動的鎳原子顆粒中。在這個過程中，“從氬原子中濺射下來鎳原子碎片與氧原子發生反應，生成一種鎳的氧化物，沉澱在半導體上形成了保護膜。”
關鍵就在於這種新型的氧化鎳薄膜能夠很好地配合另外一張重要的膜，這張膜負責將光陽極與光陰極隔開，前者釋放氫氣，後者釋放氧氣，互不干涉。
這張膜負責將光陽極與光陰極隔開
“沒有這張隔膜，光陽極與光陰極會因為靠得太近而放電，再遇上剛由它們自己釋放出的活潑的氧氣氫氣，這絕對是一副炸藥的好配方。”路易斯說，“有了我們的這張氧化鎳薄膜，你就能一次性造出一個沒有爆炸相對安全且持久高效的人工光合作用機器。”
實驗離應用始終有距離。路易斯提醒大家，人工光合作用機器投入商業市場還需要很長一段時間。這個系統的其他部分，比如光陰極還有很多地方不夠完美。
