“人造樹葉”在水杯中制造氫燃料

　　推動新能源發展的各種技術越來越受到關注，在全世界都在刮著哥本哈根旋風的時候，這一點更為明顯。麻省理工學院的化學家發明了一種催化劑，可以利用太陽光把水變成氫氣。如果該過程能擴大規模，它可以使太陽能成為主要的能量來源。更具意義的是，這種技術有可能適用于海水，那么我們的能源問題和水資源問題會有更多的選擇。如果這是真的，各國領導人的“老年照”也不至于再被大會組辦方拿出來說事，逼他們尤其是發達國家承擔更多的環保責任。

　　“光合作用”將水變成氫燃料

　　今年夏天，在一個滿是科學家及美國政府能源官員的禮堂里，麻省理工學院的化學教授丹尼爾·諾西拉演示了一段視頻：一個從水中產生氧氣的反應，就像綠色植物的光合作用。這是一項可能對能源爭論產生深遠影響的成就，在他研發的催化劑的幫助下，該反應是分解水產生氫氣最初也是最困難的一步。

　　諾西拉表示，有效地從水中產生氫，能夠克服阻礙太陽能成為重要電力來源的主要障礙之一，那就是還沒有節省成本的方法來儲存太陽能電板收集的能量，以便在晚間或多云天使用。

　　太陽能和風能一樣都是清潔能源，而且幾乎是取之不竭。但是由于沒有廉價的儲存方式，太陽能不能夠大規模地取代化石燃料。

　　在諾西拉的方案中，太陽光能夠分解水，產生多功能、易儲存的氫燃料，之后這些燃料可以在內燃發電機中燃燒，或者在燃料電池中與氧氣重新結合。

　　事實上，早在20世紀70年代早期，科學家就開始試著模仿光合作用儲存來自太陽的能量，但都有反應條件要求苛刻、成本高等限制。

　　諾西拉制造的是一種廉價的催化劑，可以在室溫、無腐蝕性化學物質的情況下，從水中產生氧氣，這與在植物中發現的優良條件相同。另外幾種催化劑，包括諾西拉研發的另一種，能夠用來幫助完成這一過程并產生氫氣。諾西拉認為，有兩種利用其突破的方法。第一種，傳統的太陽能電板捕獲太陽光并產生電力;這些電力會啟動一個電解槽設備，該設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葉結構的系統。催化劑將與一種特殊的用來吸收陽光的染色分子并排;染料捕獲的能量將會驅動水分解反應。兩種方法都會將太陽能轉化為氫燃料，可以簡便地儲存并在夜間使用，或者在任何需要的時候。

　　太陽能的黑暗面

　　太陽光是世界上最大的可再生能源潛在來源，但是這種潛力也是不穩定的。在國內，不少太陽能熱利用企業都在研發新技術，以便太陽能熱水器等產品可以在更多的地方應用，比如寒冷和多雨云地區。

　　據悉，即使在美國，太陽能發電也只能滿足美國總需求的約1%。大多數太陽能電板都與電網連接，陽光充足時，當太陽能電板以峰值運行時，房主以及企業能夠將多余的電力賣給公用事業單位。但是在夜間或者陰雨天氣時，他們還要依賴依賴電網。而且，隨著太陽能所做貢獻的增長，其不可靠性將成為一個日益嚴重的問題。

　　加州伯克力的勞倫斯伯克力國家實驗室(L aw renceBerkeleyN ationalLaboratory)研究電力市場的科學家瑞安·懷瑟(R yanW iser)表示，如果太陽能發展到足夠供應總電力的10%，公用事業單位就需要解決在高峰需求時出現陰雨天氣的問題。“要么需要運營額外的天然氣發電廠，能快速啟動彌補損失的電力，要么就需要在能量儲存上投資。相對來講，第一個選擇更便宜，因為電力儲存太昂貴。”

　　目前的儲存方法都不具備規模效應和經濟性。加州理工學院的化學教授內森·劉易斯(N athanLew is)表示，以最便宜的一種方法為例：用電將水抽上山，然后讓水通過渦輪機產生電力。將一公斤的水抽高100米大約儲存了1千焦耳的能量。相比之下，一公斤的汽油大約儲存了45000千焦耳的能量。用這種方法儲存足夠的能量需要大量的水壩和巨大的水庫，每天抽空又填滿。而且，在陽光尤其充足的地方，也不一定有大規模水可以利用。

　　還有一種常見的方式是電池儲存，缺點也是成本高。這種方式會為一個典型的家庭太陽能系統增加一萬美元的成本，而且儲存的能量有限。劉易斯表示，最好的電池每公斤儲存300瓦時的能量，每公斤汽油儲存13000瓦時。化學燃料是唯一獲得密集能量儲存的方法。“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，它能儲存更多的能量(大約為三倍)”。

　　人工產生“光合作用”

　　從小到大，隨處可見的是，植物能輕易地利用陽光，將足夠的材料轉變為富含能量的分子。這一個事實嘲笑了尋找新能源技術的化學家幾十年。諾西拉研究的方向就是模仿光合作用使得太陽能利用更具備經濟性。人工光合作用的領域開始得很快，20世紀70年代早期就有這方面的研究，但是并沒有可以推廣到應用層面的突破，幾十年來，科學家們研究植物吸收太陽光并儲存能量的結構和材料，但是并沒有找到一個清晰的“路線圖”。

　　直到2004年，倫敦帝國學院的研究人員確定了一組蛋白質和金屬的結構，對于植物從水中釋放氧有重要作用。諾西拉表示，“看到這一點后，我們就可以開始設計系統。”

　　他表示，人工光合作用能提供一個可行的、儲存產自太陽能的能量的方法，使人們的房屋不必依賴電網。在這一計劃中，來自太陽能電板的電力驅動電解槽，將水分解為氫和氧。氫被儲存起來，在夜間或多云的日子，它被裝進燃料電池產生電力供應給電燈、電器甚至電動汽車。在陽光充足的天氣，有些太陽能直接使用，繞過制造氫的步驟。

　　諾西拉的發現引起了極大關注，不過也有很多質疑的聲音。許多化學家覺得其過于樂觀，曾是諾西拉導師的托馬斯·邁耶表示，盡管諾西拉的催化劑“可能被證明在技術上是重要的，是一個研究發現，不能保證它能夠擴大規模或者甚至將它變得實用。”

　　另外一種質疑在于，諾西拉的實驗室分解水的步驟不能像商業電解槽那樣快。系統越快，生產一定量的氫和氧的商業單位就越小，而通常越小的系統越便宜。也有科學家質疑將太陽光變成電力，然后變為化學燃料，再回到電力的整個原理。他們建議，盡管電池儲存的能量遠少于化學燃料，它們卻高效得多，因為在使用電力制造燃料，然后用燃料產生電力的過程中，每一步都浪費能量。“集中在改善電池技術或其他相似的能量儲存形式上更好，而不是發展水電解以及燃料電池。”

　　海水也能成為能源

　　不過，瑞士洛桑聯邦理工學院化學和化工教授邁克爾·克拉澤爾(M ichaelG ratzel)有可能將諾西拉的發現變為實用。1991年，克拉澤爾發明了一種新型太陽能電池。它采用一種含染料的釕，就像植物中的葉綠素，吸收陽光，釋放電子。然而，克拉澤爾的太陽能電池中，電子并不引發水分解反應。取而代之的是，它們被一個二氧化鈦薄膜收集，并受外部電路的指示，產生電力。克拉澤爾的設想是，把他的太陽能電池和諾西拉的催化劑整合到一個設備中，捕獲來自太陽的能量，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中催化劑圍繞其形成的電極。當暴露在陽光中時，染料本身就能產生聚集催化劑所需的電壓。“染料就像一根導電的分子線，”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，染料吸收的陽光就驅動分解水的反應。克拉澤爾表示，與分開使用太陽能電板和電解槽相比，該設備更高效更廉價。

　　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。諾西拉研究發現，在最初的測試中，有鹽存在的情況下，表現良好，其他正在測試研究，看看它能否處理海水中的其他化合物。如果能夠成功，諾西拉的系統就不僅僅能夠處理能源危機，它還能幫助解決世界淡水短缺。

　　無論如何，人工綠葉都是一個美好愿景，加州大學伯克利分校的化學和材料科學教授保羅·阿利維撒托斯(PaulA livisatos)表示，他也正領導組織勞倫斯伯克力國家實驗室的一個項目，用化學方法模擬光合作用。

　　鏈接

　　“光合作用”是怎樣產生氫氣的

　　在一個復制了光合植物中發現的優良條件的實驗裝置中，丹尼爾o諾西拉展示了一種簡便且有廉價潛力的產生氫氣方法。通上電壓后，鈷和溶液中的磷酸鹽(左)聚集在一個電極上，形成一種催化劑，隨著電子流出電極，水中釋放出氧氣。氫離子流過一個膜;另一邊，通過鎳金屬催化劑產生氫氣(諾西拉還使用了鉑催化劑)。