教学素材：我国科学家造出新型人造树叶

【教学素材】 我国科学家造出新型人造树叶 湖北省石首市文峰中学 刘涛（正高级教师） 《先进功能材料》期刊在2025年2月10日报道：我国科研团队近期在新能源领域取得了重大突破，成功开发出一种新型人造树叶。该装置能够模仿自然树叶追踪太阳光的能力，还具备高效生产电力及分解水制取氢气和氧气的能力，为可再生能源的利用开辟了新途径。 这种新型人造树叶不仅继承了自然界树叶的某些功能，更在性能和效率上实现了质的飞跃。它不仅能够像真实树叶一样自动追踪太阳的运动轨迹，充分利用光能，还具备高效生产电力及分解水制取氢气和氧气的能力。这一创新成果不仅为可再生能源的利用开辟了新途径，也预示着人类在模仿自然、利用自然方面迈出了重要一步。 研究人员采用了一种新的制造技术，将光活性材料沉积在轻质塑料上而非传统的玻璃上，并利用水凝胶涂层创建了一个类似植物细胞质的人工版本，以允许气体交换。即使经过连续运行65小时后，该装置的光电极仍能维持73%的活性。 尽管这项技术取得了显著的进步，但在实际应用之前还需要克服一些挑战，比如碳纳米管组件在多次追踪循环后的性能下降问题，以及风和水流可能对其运动和效率产生的影响。这些都需要进一步的研究来优化设计和技术。 该新型人造树叶采用了创新的柔性太阳能电极设计，表面覆盖了一层保护性凝胶涂层。其独特之处在于内部嵌入了碳纳米管，这些纳米管被巧妙地置于一种对温度敏感的聚合物基质中。当树叶暴露在阳光下时，碳纳米管局部受热，导致聚合物收缩，从而使树叶自动向光源“弯曲”，实现无马达追踪。这一机制灵感来源于植物的自然光追踪方式，赋予了人造树叶更高的灵活性和效率。 在实验条件下，这种新型人造树叶展示了出色的性能：在45度角的光照条件下，水分解效率比传统系统高出47%；而在90度角的光照下，产生的氢气和氧气量更是比传统系统高出866%。此外，它还能够在水下环境中稳定工作，这与传统的太阳能电池板和其他类型的人造树叶相比是一个显著的优势。 这一突破性进展得益于新型树叶采用的制造技术，将光活性材料沉积在轻质塑料上，替代了传统的玻璃基底，不仅减轻了重量，还提高了系统的整体性能。 此外，新型人造树叶还具备出色的水下工作能力。其表面的水凝胶涂层不仅具有透气性，允许水分进入并让“废气”逸出系统，还模拟了植物细胞质的结构，增强了树叶在水下的稳定性和耐久性。在连续运行65小时后，树叶的光电极仍保持了73%的活性，显示了其卓越的稳定性和实用性。 然而，科研团队也指出了该技术在规模化应用前面临的挑战。碳纳米管结构元件在多次追踪循环后性能会逐渐下降，影响了光追踪响应时间。同时，风和水流等环境因素也可能对树叶的运动和效率产生显著影响。因此，未来还需进一步优化结构设计，提高材料的耐久性和抗环境干扰能力。 尽管存在挑战，但新型人造树叶的潜在应用前景仍然广阔。它不仅有望为可再生能源领域带来新的解决方案，还可能在水下探测、海洋能源开发等领域发挥重要作用。科研团队表示，将继续深入研究，推动这一技术的实用化进程，为构建绿色、可持续的能源体系贡献力量。 【知识链接】 一、揭秘“人造树叶” “人造树叶”是一种仿生能源转化装置，通过模仿自然树叶的光合作用机制，将太阳能转化为电能或化学能。其核心功能包括分解水制氢氧、转化二氧化碳为燃料，以及通过水流与气泡的相互作用产生电流。根据设计目标不同，部分装置还可用于空气净化或特殊化学品生产。 二、技术原理 （1）光催化水分解‌：核心机制为光驱动电解水：太阳能激发催化材料（如金属氧化物或过渡金属化合物），将水分解为氢气和氧气。 柔性太阳能电极吸收光能后，通过保护性凝胶涂层维持反应稳定性，提升能量转化效率。 （2）智能追踪光源‌：碳纳米管嵌入温度敏感聚合物中，受热收缩引发叶片弯曲，实现无动力太阳追踪功能。当45度光照角度下效率提升47%，垂直光照时产氢氧量增加866%。 三、核心功能与应用场景 （1）“人造树叶”的核心功能‌ ①清洁能源生产‌：直接分解水制取氢气（可作燃料）和氧气，或通过燃料电池发电； ②智能追踪光源‌：无需外部动力设备，自主调节角度以最大化光能利用率； ②二氧化碳转化‌：部分技术可将二氧化碳转化为燃料（如甲酸盐）或化学品。 （2）“人造树叶”的应用场景‌ ①氢能经济‌：为氢燃料电池车、工业用氢提供可持续生产方案； ②建筑领域‌：集成于建筑外墙或通风系统，兼具能源生产与空气净化功能； ③极端环境‌：适用于沙漠、太空等环境，提供能源与氧气供应； ④分布式能源‌：小型化设备可部署于偏远地区，实现离网能源自给。 【同步训练设计】 1．“人造树叶”是一种新型材料。光照时，H2O和CO2在“人造树叶”的催化下反应，其微观过程如图。下列说法正确的是（ ） A．反应前后分子的种类不变 B．该反应既能缓解全球变暖，又能产生燃料，并释放O2 C．由图可知，乙醇的化学式为C2H5O D．参加反应的H2O和CO2的分子个数比为3∶1 2．如图所示的“人造树叶”是一种模拟植物光合作用的装置，利用光能将水和二氧化碳转化为氧气和燃料丙醇（C3H8O）。下列不属于“人造树叶”作用的是（ ）   A．为人类提供食物 B．为人类提供能源 C．将光能转化为化学能 D．有利于减缓温室效应 3．某同学发现H2和CO2在同一条件下会发生两个化学反应。一般反应I来制取甲醇（化学式为CH3OH），下列说法错误的是（ ） A．在反应I中，参加反应的H2和CO2的分子个数比为3∶1 B． 反应II前后的分子数量发生改变 C．想要增加甲醇的产量，就要减少反应Ⅱ的发生 D．利用这两个反应不仅可以减少温室气体的排放，还可以产生燃料 4．天宫空间站中采用催化剂净化CO2和H2，微观反应过程如图。下列说法正确的是（ ） A．反应前后分子数目不变 B．反应前后元素种类改变 C．参与反应的CO2和H2质量比为11∶2 D．应生成的两种分子个数比为1∶1 5．碳中和是指在规定时间内，CO2的人为移除与人为排放相抵消。 （1）大气中CO2过多会导致______的加剧。 （2）下列是常用的碳中和方案。 ①碳捕集：应选择 （填“酸”或“碱性”）性试剂吸收捕集CO2。 ②碳循环：为降低CO2含量，科学家正在研究一种新型“人造树叶”，它能吸收空气中的CO2并转变为乙醇（乙醇的化学式为C2H5OH），该反应的化学方程式为2CO2＋3H2OC2H5OH＋3x，则x的化学式为______。 ③碳替代：选用氢气作为碳替代能源的理由是 ；氢气可以采用电解水的方法制得，电解水的化学方程式是 ；还可以作为碳替代能源的有 （答一种即可）。 （3）低碳生活从我做起。下列行为有利于实现碳中和的是______（填序号） A．双面使用纸张 B． 植树造林 C．漏天焚烧垃圾 6．植物能轻易地利用阳光，将足够的材料转变为富含能量的分子。受树叶里的一种化学反应的启发，科学家们经过几十年的努力，将自然界中植物利用阳光将水、二氧化碳转化成氧气和碳水化合物类燃料的过程，构建了一个安全、高效的人工光合作用系统，统称为“人工树叶”。 人工树叶可以自主呼吸，像普通树叶那样工作，能利用太阳能和催化剂产生化学反应，将水转化成氢气和氧气。研究表明，相对于普通树叶，它的“工作”效率提高了49%，需要的却仅仅是一点阳光、水和二氧化碳。其原理是利用蚕丝纤维的稳定性，从普通植物中提取出叶绿体浸入蚕丝材料中，最终可获得一片完全能够自主呼吸的树叶。它更轻，低耗能，并且生成氧气的效率却更高。 除此之外， “人工树叶”能够截获阳光中的能力，并转化为可用来驱动起床发动机的液体燃料。利用这种新型叶子中使用了一种酶，在与二氧化碳结合中可形成异丙醇（C3H8O），异丙醇可作为燃料使用。 人工树叶不仅可以用来制作灯具，照明的同时释放氧气，还可以挂上墙壁，用它做电视墙，家中就是一个天然的氧吧！建筑物的幕墙，可以作为外部空气的过滤器，人们在建筑物内呼吸到的是完全新鲜的氧气。这种神奇的新材料可以给执行长时间太空使命的宇航员提供稳定的氧气来源，甚至帮助人类依据新的星球。 回答下列问题： （1）根据材料可知，水分解的化学方程式为 。 （2）对比普通树叶，人造树叶的优点是 。 （3）C3H8O中，碳、氢元素的质量比为 （填最简整数比）。 （4）该装置被称为“人工树叶”的主要原因是 。 A．它外形像树叶  B．它模拟了植物的光合作用 （5）人造树叶的用途有哪些（至少写出两条） 。 参考答案 1～4．B、A、B、D； 5．（1）温室效应； （2）①碱性； ②O2；③生成水无污染等；2H2O ( 通电 )2H2↑＋O2↑；风能或太阳能等；（3）AB。 6．（1）2H2O 2H2↑＋O2↑； （2）工作效率高、更轻、低耗能等（合理即可） ；（3）9∶2 ；合理即可）；（4） B ；（5）灯具、电视背景墙 燃料、外部空气过滤器等（合理即可）。 学科网（北京）股份有限公司 $$