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＂自然选择不是一个大工程师，而是一个修补匠。它并不能创造出设计师从头开始便能够创造出的绝对完美，而只能创造出它所拥有的最好内容。”
-杰瑞·科因
人类的大脑是一个杰出的器官，能够以目标为导向的行为和创造力，从而诞生了金字塔、iPhone、罗密欧与朱丽叶，而且纽约城的天际线．这种有目的的行为导致了惊人的技术进步，速度极快，反映了我们物种急剧的人口增长和贪婪的资源使用。
但我们不是唯一的创造力量。进化也有它的画布，但用的是不同的画笔。数百万年来，在没有人类活动意图或目的的情况下，自然选择编织了一个复杂物种的世界，每个物种都有自己的基因指纹，在设计效率和弹性方面可以与任何人类创造相媲美(人眼的“荒谬”完美甚至令查尔斯·达尔文感到困惑)。
那么，我们能从大自然的精雕细琢中学到什么呢?如果我们开发出的技术模仿了千万年进化中发展出来的最好的机器会怎样?光合作用是一种普遍存在的过程，它将太阳能转化为可用的化学燃料，是地球上所有生命的基础，这就是一个最好的例子。随着化石燃料的减少，科学家们希望利用人造材料来复制植物的光合作用，将光作为化学能储存在氢中，氢的能量密度是汽油的三倍。找到一种廉价的方法可以提供清洁的氢燃料，作为未来无化石燃料经济的基础。到目前为止，人们已经成功地重现了这个基本过程，但在保持设备长时间稳定方面存在困难。现在，最近的一项研究1也许找到了解决方案，让人工光合作用更接近现实。
我是来帮你反应的
分解水是光合作用的核心化学过程。植物吸收二氧化碳2)从大气中吸收水分(H2O)通过它们的根，使两种分子在叶子深处的叶绿体中相遇。在这里，每一对水分子分裂成两个氢分子(H2)和一个氧分子(O2)．这个反应是吸热的——分子只与输入的能量发生反应——所以周围的叶绿素必须吸收阳光来提供必要的促进。氢产物与CO反应2形成糖(CH2O)n)，它们是植物的基本能量单位(氧气最终会进入我们的肺部)。通过这种方式，植物清洁地(没有化石燃料!)将太阳能转化为化学能来修复和建造它们的结构。
只有一个问题:即使有太阳能来启动反应，反应速度仍然太慢，对工厂没有任何用处。但一个催化剂来拯救!催化剂不会被化学反应所消耗，但它的存在提供了一个加快反应速度的化学环境。催化很容易被视为一种魔法——我们仍然不明白大多数类型的催化在原子水平上是如何工作的——但它绝对不是什么超自然的东西!催化材料只是以一种复杂的方式改变了化学反应的途径，包括许多有助于加速反应过程的中间状态。
在植物中，含有镁簇的叶绿素和各种酶可以作为加速水反应的光催化剂。进化已经完善了一个极其复杂的途径来分解水和制造糖，但我们知道我们需要复制的基本原理:在催化剂存在的情况下利用太阳能分解水，然后收集氢产物作为燃料，可以是纯形式，也可以是有机分子的一部分(比如植物中的糖)。这将是一种无化石燃料的燃料电池和所谓的氢经济．那么，到目前为止，我们是如何复制这一自然壮举的呢?
一点镍币就行了
人造水分解装置的核心是一个半导体．这些材料通常是硅、砷化镓或碲化镉2-主要吸收可见光，激发电子，这些电子在周围徘徊足够长的时间，为启动水分解反应提供能量。半导体和催化剂浸泡在电解液中，通常是碱性或酸性的水溶液。被激发的电子在溶液中移动，在催化剂附近找到水，并将其分解，使用收集到的产物作为燃料。
听起来很简单，对吧?实际上，情况要复杂一些。大多数用于吸收光的半导体暴露在电解液中会被腐蚀，缩短了设备的寿命，使其无法用于商业用途。因此，这些在光伏行业中使用的半导体相对便宜，制造方法也很精细，但还没有用于水分解装置。
但研究人员可能已经找到了解决这个以前棘手问题的方法。这个想法是使用另一种在电解质中稳定的材料作为保护层，以防止腐蚀。以前也有这样做过，但设计变得繁琐得多，因为还必须有单独的催化材料。找到一个最佳的几何形状，让被激发的电子、水和催化剂都在保护屏障的存在下到达同一个地方是很困难的。为了解决这个问题，Sun等人找到了一种减少所需材料数量的方法。他们将氧化镍(NiOx)在硅半导体上作为保护层。当浸在电解液中时，他们发现氧化镍在反应中起着双重催化剂的作用!水分解发生了超过100个小时的操作而没有半导体腐蚀，这是一个很好的迹象，该设备的几何结构可以长期使用。氧化镍薄膜也是透明的、防反射的，所以可见光会穿过它，击中下面被保护的半导体，并激发电子。研究人员似乎已经发现了一种材料，它能满足高效水分解的许多严格要求——透明、光催化和化学稳定性。
这些类型的保护层以前曾用于防止腐蚀3.但这是第一次用传统半导体(硅)演示这种技术，这种技术更便宜，而且可能提供更高的效率(每输入光能提供更多的输出能量)。将氧化镍沉积在半导体上以优化光催化活性的各种方法将进行更多的测试工作，但早期迹象表明，这是一条非常有前途的人工光合作用路线。这并不是唯一的方法!在《自然》的Scitable网络中另一个很棒的博客“生物2.0”中，Dan Kramer讨论了一项关于混合纳米线-细菌系统的新研究，该系统用于减少太阳能产生的二氧化碳．在这一领域出现了许多创造性的方法，这是在不久的将来取得重大进展的一个重要迹象。
人工水分解装置由无机晶体和酸组成，电线像触须一样缠绕，可能与植物光合作用中灵活的绿色有机物没有任何相似之处。但核心的化学成分是相同的，我们现在才刚刚开始与大自然百万年机器的优雅相匹配。
参考文献
Sun K.等。”由透明催化氧化镍薄膜保护的半导体光阳极对水的稳定太阳能驱动氧化．＂《美国国家科学院学报》上发表,112 (12)， 3612-3617(2015)。
Hu, S.等。”集成串联光电电化学水分解系统中光吸收剂的最佳带隙分析．＂能源与环境科学，6， 2984-2993(2014)。
梅，B.等人。”铁处理NiO作为高效硅基光阳极的高透明p型保护层。＂物理化学专业，5 (20)， 3456-3461(2014)。
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