对于人造树叶，首先碰到的就是两个难题，首先是怎样用太阳光产生的电能将水拆分开来，其次是如何利用得到的高能电子制造出还原剂燃料。
要拆解水分子并不难，中学时我们就做过实验，将电池的电极插入到硫酸溶液中，在正极收集到的就是氧气，而负极收集到的则是氢气。日本本田汽车公司的研究人员就制作了升级版的装置，利用太阳能电池产生的电力将电解槽中的水分解成氢气和氧气。考虑到太阳能电池的高昂造价，再加上昂贵的电极(铂)，这个方案着实不太靠谱。反观绿叶，用的可都是碳、锰、铁、镁这些廉价的元素。
麻省理工学院的科学家诺塞拉(Daniel Nocera)和卡南(Matthew Kanan)，在这方面已经迈出了一大步。他们把铟和锡的氧化物做成的电极放置在钴离子和磷酸钾的水溶液中，然后在溶液中通入太阳能电池的电流。白天，用通常方法获得的太阳能一部分可用于日常所需，一部分用来将水分解成氢气和氧气并将氢气储存起来。晚上，利用燃料电池，让氢气和氧气反应提供电能。这项研究最重要的意义是，大量使用的材料都是地球上供给丰富的材料，而非像铂那样的名贵金属。
目前的半导体太阳能电池已经崭露头角，用这些物质制造成纳米级的天线阵列足以吸收到足够的光能。接下来就是将它们通通整合到一个装置之上，也就是理想的“人工叶片”了。如果只是供燃料电池使用，按比例混合的氢气和氧气也能勉强胜任。但如果要驱动汽车，就需要纯的能量密度更高的燃料了。解决办法是，制造一种膜结构，将半导体天线插在上面。只让氢离子通过这层膜，同时把氧气挡在外边；在氢离子通过之后，再从贯通膜的半导体天线上获得电子，就变成了纯氢气。通过进一步的纯化和压缩，就可以得到高能量密度的燃料。
当然，氢气并不是唯一的产物，通过纳米技术的发展，我们甚至可以模拟叶绿体，制造出产生ATP的“生命发动机”，进而制造出更多种类的高能量有机物质。在不久的将来，从人工叶片流淌出的也许就是酒精。
另类的氢气来源
现在，还有另外一群人在继续寻找并改造自然存在的光合工厂。
在绿色植物中，储存在碳水化合物中并不是光能产生的化学能量的唯一出口。一些种类的绿藻和蓝藻可以直接产生氢气。与藻类柴油之类的利用途径相比，直接利用氢气大大节省了分离和纯化能源的费用。
不过，产氢藻类的问题在于，光合作用产生的氧气和氢气是同时释放的，并且氢气的含量大多只占释放气体总量的20%左右。不过，在纯氮气或者惰性气体条件下，产氢量可以翻倍。但是，纯化氢气仍旧是一个问题。科研人员正尝试用基因改造的手段，“制造”出专门产生氢气的种类。
如何让这些小小的绿色植物乖乖地交出氢气，要解决的问题还有很多，不过，在这个过程中，我们可以进一步了解植物的运作过程，为改进人工树叶积累宝贵的资料。能不能用上海藻产生的氢气，我们可以拭目以待。
(本文作者为植物学博士)
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