生产和储存像太阳能、风能一类的可再生能源是清洁能源经济的主要障碍。
当2010年美国能源部在加州理工学院和其他科研院所成立人工太阳能联合中心（Joint Center for Artificial Photosynthesis，JCAP）时，美国能源部的能源创新中心（Energy Innovation Hub）有一个主要目标，那就是模拟植物的光合作用和以化学燃料的形式储存能量的方法，研究出只用阳光、水和二氧化碳来制造燃料的廉价方法。
五年过去了，JCAP的研究人员有了重大进展，他们研发出了第一个用于分解水得到氢能源的完整有效安全的集成太阳能动力系统。
“这个结果是五年以来，JCAP作为一个整体在这个考验人的项目上获得的里程碑。我们不仅仅完成了这个目标，并且还做到按时、按预算完成。”JCAP的科学主管，加州理工学院的化学教授Nate Lewis总结道。
这种新型太阳能燃料生成系统，又被称为“人造树叶”，发表在今年的《能源与环境科学》（Energy and Environmental Science）期刊上。该研究是Lewis以及JCAP另一位主管，应用物理和材料科学教授Harry Atwater所在实验室的研究人员完成的。
“这项成果凭借的是JCAP的知识、洞察力和能力，它展示出一个和谐的团队通过调动整个能源创新中心的努力所能够达到的高度。”Atwater说，“这个设备花了许多年的大量心血才做出来，它阐明了集成太阳能燃料生成装置所需的设计和材料原件。”
这个新系统包括三个主要组成部分：两个电极（一个光电阳极和一个光电阴极）以及一个半渗透膜。光电阳极利用阳光来氧化水分子，产生质子、电子以及氧气。光电阴极将质子和电子重新结合成氢气。JCAP设计的关键部分是一层塑料膜，这层膜能将氢气和氧气分离。如果氢气和氧气接触并被点燃就会发生爆炸。这层塑料膜能够将氢气单独压缩分离并安全输送到一个管道中去。
像硅和砷化稼那样的半导体能够有效吸收光线因此常被用于太阳能板中。但是，这些材料表面在接触到水分时，经常会氧化生锈，因此它们并不能被直接用于燃料生产。而让科研人员能够研发出这个新集成系统的关键进步来自于Lewis的实验室。他们发现，如果将一层纳米级别厚度的二氧化钛（TiO2；常用于制作白色颜料、牙膏以及防晒霜）加到电极上，那么就能防止电极腐蚀，同时光和电子仍然能够畅行无阻。
由Lewis和同事研发的新型完整太阳能燃料生成系统就是用了这样一种62.5纳米厚的二氧化钛层来有效防止用砷化稼制作的电极的腐蚀并增加其稳定性。
这个设备另外的一个关键进步在于它使用了价格并不昂贵的活性催化剂。光电阳极需要催化剂来进行分解水的反应。像铂金那样的稀有贵金属可被用作催化剂，但是研究团队通过在二氧化钛表面加一层2纳米厚的镍，得到了一种更便宜、更具有活性的催化剂。这种催化剂是迄今为止用于分解水反应的最具活性的催化剂，它是让这个设备如此高效的关键因素。
光电阳极生长在光电阴极上，后者也含有具有高度活性并且价格不贵的镍钼催化剂，它们一起形成了一个完整的单一集成材料，而这材料本身就是一个完整的太阳能驱动的水分解系统。
另外一种对系统的效率和安全性起到关键作用的组成部分是那种特殊的塑料膜，它可以将两种气体分离防止爆炸，同时能让离子无阻碍流动形成电流。该设备的所有部件能在同样条件下稳定工作，形成了一个高效的完整集成系统。图片中的系统大概1平方厘米见方，能够将10%的太阳能转化成化学燃料并储存，并且能够连续工作超过40小时。
Lewis说：“这个新系统打破了所有人造树叶技术的综合安全性、性能和稳定性的记录，它是原记录的5-10倍有余。”
“我们的工作显示出，完全有可能用由经济合算的部件构成的集成系统，来安全有效地利用太阳能来制造燃料。”Lewis补充道，“当然，我们还需研究如何延长系统的寿命，还有研发出制造划算的全系统的方法。我们正在做这两件事。”
因为这项工作组装了由JCAP的多个团队研发的组件，所以JCAP的原型机和扩大计划的领头人之一Chengxiang Xiang认为最终的成果应当归功于合作。“JCAP在设备设计、模拟以及材料发明和集成方面的研发最终汇聚到这个新设备上。”他说。