JCAP的任务就是解决这一问题,并设计出一种比单纯靠太阳能电池板放电分离水分子更廉价的新系统。JCAP设计的人工树叶的核心部分是2块浸入水溶液的电极。通常来说,每一块电极由半导体材料制作而成,该材料能够从太阳光谱中捕获特殊的光能。
此外,电极外表还涂有催化剂,用来确保电极以一定的速度产生氢或氧。而JCAP的设计则与其他人工光合作用设备一样,用薄膜将生成的各种气体隔开,以降低爆炸的风险。
一旦水发生分离,氢气必将出现,它可以单独作为原料或与一氧化碳反应后变为一种液态氢碳化合物燃料。
设计人工树叶的各个元件并让它们发挥作用已经是一项非常困难的任务了,更不要说将所有元件组合在一起确保整个系统运转良好。Lewis说:“这和制造飞机是一个道理,你不仅需要有性能出色的引擎和电子设备,设计科学的机翼和机身,还必须确保各个元件组合在一起后,飞机可以高效安全地飞行。”
在设计人工树叶的过程中,最困难的当属寻找最合适的材料。以硅为例子,它是出色的光电阴极材料,但只有当处于酸性溶液中时才是稳定的。不幸的是,二极管的性能刚好相反,只有当处于酸碱度正好的溶液中时,它才是稳定的。此外,作为最佳的制造氧气的催化剂,铱既稀有又昂贵,无法应用于商业领域。
而在寻找合适材料的过程中,最难的是光电阳极材料的选取。电化学家兼JCAP主管Carl Koval说:“这些电极材料都非常不稳定,甚至连1分钟的稳定状态都达不到。”许多研究者在研究中采用已知的廉价且运行稳定的材料,然后把重点放在如何使它们的吸光性更好上。另一些研究者则在研究中采用已知的吸光性好的材料,而把重点放在如何使它们廉价且运行稳定上。