“人造樹(shù)葉”在水杯中氫燃料

推動(dòng)新能源發(fā)展的各種技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注，在*都在刮著哥本哈根旋風(fēng)的時(shí)候，這一點(diǎn)更為明顯。麻省理工學(xué)院的化學(xué)家發(fā)明了一種催化劑，可以利用太陽(yáng)光把水變成氫氣。如果該過(guò)程能擴(kuò)大規(guī)模，它可以使太陽(yáng)能成為主要的能量來(lái)源。更具意義的是，這種技術(shù)有可能適用于海水，那么我們的能源問(wèn)題和水資源問(wèn)題會(huì)有更多的選擇。如果這是真的，各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人的“老年照”也不至于再被大會(huì)組辦方拿出來(lái)說(shuō)事，逼他們尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家承擔(dān)更多的環(huán)保責(zé)任。

“光合作用”將水變成氫燃料

今年夏天，在一個(gè)滿是科學(xué)家及美國(guó)政府能源官員的禮堂里，麻省理工學(xué)院的化學(xué)教授丹尼爾·諾西拉演示了一段視頻：一個(gè)從水中產(chǎn)生氧氣的反應(yīng)，就像綠色植物的光合作用。這是一項(xiàng)可能對(duì)能源爭(zhēng)論產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的成就，在他的催化劑的幫助下，該反應(yīng)是分解水產(chǎn)生氫氣zui初也是zui困難的一步。

諾西拉表示，有效地從水中產(chǎn)生氫，能夠克服阻礙太陽(yáng)能成為重要電力來(lái)源的主要障礙之一，那就是還沒(méi)有節(jié)省成本的方法來(lái)儲(chǔ)存太陽(yáng)能電板收集的能量，以便在晚間或多云天使用。

太陽(yáng)能和風(fēng)能一樣都是清潔能源，而且?guī)缀跏侨≈唤?。但是由于沒(méi)有廉價(jià)的儲(chǔ)存方式，太陽(yáng)能不能夠大規(guī)模地取代化石燃料。

在諾西拉的方案中，太陽(yáng)光能夠分解水，產(chǎn)生多功能、易儲(chǔ)存的氫燃料，之后這些燃料可以在內(nèi)燃發(fā)電機(jī)中燃燒，或者在燃料電池中與氧氣重新結(jié)合。

事實(shí)上，早在20世紀(jì)70年代早期，科學(xué)家就開(kāi)始試著模仿光合作用儲(chǔ)存來(lái)自太陽(yáng)的能量，但都有反應(yīng)條件要求苛刻、成本高等限制。

諾西拉的是一種廉價(jià)的催化劑，可以在室溫、無(wú)腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的情況下，從水中產(chǎn)生氧氣，這與在植物中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)良條件相同。另外幾種催化劑，包括諾西拉的另一種，能夠用來(lái)幫助完成這一過(guò)程并產(chǎn)生氫氣。諾西拉認(rèn)為，有兩種利用其突破的方法。*種，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電板捕獲太陽(yáng)光并產(chǎn)生電力;這些電力會(huì)啟動(dòng)一個(gè)電解槽設(shè)備，該設(shè)備使用他的催化劑分解水。第二種方法將采用一套更接近模仿樹(shù)葉結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。催化劑將與一種特殊的用來(lái)吸收陽(yáng)光的染色分子并排;染料捕獲的能量將會(huì)驅(qū)動(dòng)水分解反應(yīng)。兩種方法都會(huì)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫燃料，可以簡(jiǎn)便地儲(chǔ)存并在夜間使用，或者在任何需要的時(shí)候。

太陽(yáng)能的黑暗面

太陽(yáng)光是世界上zui大的可再生能源潛在來(lái)源，但是這種潛力也是不穩(wěn)定的。在國(guó)內(nèi)，不少太陽(yáng)能熱利用企業(yè)都在新技術(shù)，以便太陽(yáng)能熱水器等產(chǎn)品可以在更多的地方應(yīng)用，比如寒冷和多雨云地區(qū)。

據(jù)悉，即使在美國(guó)，太陽(yáng)能發(fā)電也只能滿足美國(guó)總需求的約1%。大多數(shù)太陽(yáng)能電板都與電網(wǎng)連接，陽(yáng)光充足時(shí)，當(dāng)太陽(yáng)能電板以峰值運(yùn)行時(shí)，房主以及企業(yè)能夠?qū)⒍嘤嗟碾娏u給公用事業(yè)單位。但是在夜間或者陰雨天氣時(shí)，他們還要依賴依賴電網(wǎng)。而且，隨著太陽(yáng)能所做貢獻(xiàn)的增長(zhǎng)，其不可靠性將成為一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題。

加州伯克力的勞倫斯伯克力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（L aw renceBerkeleyN ationalLaboratory）研究電力市場(chǎng)的科學(xué)家瑞安·懷瑟（R yanW iser）表示，如果太陽(yáng)能發(fā)展到足夠供應(yīng)總電力的10%，公用事業(yè)單位就需要解決在高峰需求時(shí)出現(xiàn)陰雨天氣的問(wèn)題。“要么需要運(yùn)營(yíng)額外的天然氣發(fā)電廠，能快速啟動(dòng)彌補(bǔ)損失的電力，要么就需要在能量?jī)?chǔ)存上投資。相對(duì)來(lái)講，*個(gè)選擇更便宜，因?yàn)殡娏?chǔ)存太昂貴。”

目前的儲(chǔ)存方法都不具備規(guī)模效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)性。加州理工學(xué)院的化學(xué)教授內(nèi)森·劉易斯（N athanLew is）表示，以*的一種方法為例：用電將水抽上山，然后讓水通過(guò)渦輪機(jī)產(chǎn)生電力。將一公斤的水抽高100米大約儲(chǔ)存了1千焦耳的能量。相比之下，一公斤的汽油大約儲(chǔ)存了45000千焦耳的能量。用這種方法儲(chǔ)存足夠的能量需要大量的水壩和巨大的水庫(kù)，每天抽空又填滿。而且，在陽(yáng)光尤其充足的地方，也不一定有大規(guī)模水可以利用。

還有一種常見(jiàn)的方式是電池儲(chǔ)存，缺點(diǎn)也是成本高。這種方式會(huì)為一個(gè)典型的家庭太陽(yáng)能系統(tǒng)增加一萬(wàn)美元的成本，而且儲(chǔ)存的能量有限。劉易斯表示，的電池每公斤儲(chǔ)存300瓦時(shí)的能量，每公斤汽油儲(chǔ)存13000瓦時(shí)。化學(xué)燃料是*獲得密集能量?jī)?chǔ)存的方法。“在那些燃料中，氫氣不僅僅有著比汽油更清潔的潛力，而且按重量算，它能儲(chǔ)存更多的能量（大約為三倍）”。

人工產(chǎn)生“光合作用”

從小到大，隨處可見(jiàn)的是，植物能輕易地利用陽(yáng)光，將足夠的材料轉(zhuǎn)變?yōu)楦缓芰康姆肿?。這一個(gè)事實(shí)嘲笑了尋找新能源技術(shù)的化學(xué)家?guī)资?。諾西拉研究的方向就是模仿光合作用使得太陽(yáng)能利用更具備經(jīng)濟(jì)性。人工光合作用的領(lǐng)域開(kāi)始得很快，20世紀(jì)70年代早期就有這方面的研究，但是并沒(méi)有可以推廣到應(yīng)用層面的突破，幾十年來(lái)，科學(xué)家們研究植物吸收太陽(yáng)光并儲(chǔ)存能量的結(jié)構(gòu)和材料，但是并沒(méi)有找到一個(gè)清晰的“路線圖”。

直到2004年，倫敦帝國(guó)學(xué)院的研究人員確定了一組蛋白質(zhì)和金屬的結(jié)構(gòu)，對(duì)于植物從水中釋放氧有重要作用。諾西拉表示，“看到這一點(diǎn)后，我們就可以開(kāi)始設(shè)計(jì)系統(tǒng)。”

他表示，人工光合作用能提供一個(gè)可行的、儲(chǔ)存產(chǎn)自太陽(yáng)能的能量的方法，使人們的房屋不必依賴電網(wǎng)。在這一計(jì)劃中，來(lái)自太陽(yáng)能電板的電力驅(qū)動(dòng)電解槽，將水分解為氫和氧。氫被儲(chǔ)存起來(lái)，在夜間或多云的日子，它被裝進(jìn)燃料電池產(chǎn)生電力供應(yīng)給電燈、電器甚至電動(dòng)汽車。在陽(yáng)光充足的天氣，有些太陽(yáng)能直接使用，繞過(guò)氫的步驟。

諾西拉的發(fā)現(xiàn)引起了極大關(guān)注，不過(guò)也有很多質(zhì)疑的聲音。許多化學(xué)家覺(jué)得其過(guò)于樂(lè)觀，曾是諾西拉導(dǎo)師的托馬斯·邁耶表示，盡管諾西拉的催化劑“可能被證明在技術(shù)上是重要的，是一個(gè)研究發(fā)現(xiàn)，不能保證它能夠擴(kuò)大規(guī)?；蛘呱踔翆⑺兊脤?shí)用。”

另外一種質(zhì)疑在于，諾西拉的實(shí)驗(yàn)室分解水的步驟不能像商業(yè)電解槽那樣快。系統(tǒng)越快，一定量的氫和氧的商業(yè)單位就越小，而通常越小的系統(tǒng)越便宜。也有科學(xué)家質(zhì)疑將太陽(yáng)光變成電力，然后變?yōu)榛瘜W(xué)燃料，再回到電力的整個(gè)原理。他們建議，盡管電池儲(chǔ)存的能量遠(yuǎn)少于化學(xué)燃料，它們卻得多，因?yàn)樵谑褂秒娏θ剂希缓笥萌剂袭a(chǎn)生電力的過(guò)程中，每一步都浪費(fèi)能量。“集中在改善電池技術(shù)或其他相似的能量?jī)?chǔ)存形式上更好，而不是發(fā)展水電解以及燃料電池。”

海水也能成為能源

不過(guò)，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)和化工教授邁克爾·克拉澤爾（M ichaelG ratzel）有可能將諾西拉的發(fā)現(xiàn)變?yōu)閷?shí)用。1991年，克拉澤爾發(fā)明了一種新型太陽(yáng)能電池。它采用一種含染料的釕，就像植物中的葉綠素，吸收陽(yáng)光，釋放電子。然而，克拉澤爾的太陽(yáng)能電池中，電子并不引發(fā)水分解反應(yīng)。取而代之的是，它們被一個(gè)二氧化鈦薄膜收集，并受外部電路的指示，產(chǎn)生電力?？死瓭蔂柕脑O(shè)想是，把他的太陽(yáng)能電池和諾西拉的催化劑整合到一個(gè)設(shè)備中，捕獲來(lái)自太陽(yáng)的能量，并利用它分解水。

原理是，克拉澤爾的染料將代替諾西拉系統(tǒng)中催化劑圍繞其形成的電極。當(dāng)暴露在陽(yáng)光中時(shí)，染料本身就能產(chǎn)生聚集催化劑所需的電壓。“染料就像一根導(dǎo)電的分子線，”克拉澤爾表示，然后催化劑在需要它的地方聚集。催化劑一旦形成，染料吸收的陽(yáng)光就驅(qū)動(dòng)分解水的反應(yīng)。克拉澤爾表示，與分開(kāi)使用太陽(yáng)能電板和電解槽相比，該設(shè)備更更廉價(jià)。

諾西拉則在研究的另一可能性，即其催化劑能否用于分解海水。諾西拉研究發(fā)現(xiàn)，在zui初的測(cè)試中，有鹽存在的情況下，表現(xiàn)良好，其他正在測(cè)試研究，看看它能否處理海水中的其他化合物。如果能夠成功，諾西拉的系統(tǒng)就不僅僅能夠處理能源危機(jī)，它還能幫助解決世界淡水短缺。

無(wú)論如何，人工綠葉都是一個(gè)美好愿景，加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)和材料科學(xué)教授保羅·阿利維撒托斯（PaulA livisatos）表示，他也正領(lǐng)導(dǎo)組織勞倫斯伯克力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)項(xiàng)目，用化學(xué)方法模擬光合作用。

“人造樹(shù)葉”在水杯中氫燃料