“人造树叶”在水杯中制造氢燃料

　　推动新能源发展的各种技术越来越受到关注，在全世界都在刮着哥本哈根旋风的时候，这一点更为明显。麻省理工学院的化学家发明了一种催化剂，可以利用太阳光把水变成氢气。如果该过程能扩大规模，它可以使太阳能成为主要的能量来源。更具意义的是，这种技术有可能适用于海水，那么我们的能源问题和水资源问题会有更多的选择。如果这是真的，各国领导人的“老年照”也不至于再被大会组办方拿出来说事，逼他们尤其是发达国家承担更多的环保责任。

　　“光合作用”将水变成氢燃料

　　今年夏天，在一个满是科学家及美国政府能源官员的礼堂里，麻省理工学院的化学教授丹尼尔·诺西拉演示了一段视频：一个从水中产生氧气的反应，就像绿色植物的光合作用。这是一项可能对能源争论产生深远影响的成就，在他研发的催化剂的帮助下，该反应是分解水产生氢气最初也是最困难的一步。

　　诺西拉表示，有效地从水中产生氢，能够克服阻碍太阳能成为重要电力来源的主要障碍之一，那就是还没有节省成本的方法来储存太阳能电板收集的能量，以便在晚间或多云天使用。

　　太阳能和风能一样都是清洁能源，而且几乎是取之不竭。但是由于没有廉价的储存方式，太阳能不能够大规模地取代化石燃料。

　　在诺西拉的方案中，太阳光能够分解水，产生多功能、易储存的氢燃料，之后这些燃料可以在内燃发电机中燃烧，或者在燃料电池中与氧气重新结合。

　　事实上，早在20世纪70年代早期，科学家就开始试着模仿光合作用储存来自太阳的能量，但都有反应条件要求苛刻、成本高等限制。

　　诺西拉制造的是一种廉价的催化剂，可以在室温、无腐蚀性化学物质的情况下，从水中产生氧气，这与在植物中发现的优良条件相同。另外几种催化剂，包括诺西拉研发的另一种，能够用来帮助完成这一过程并产生氢气。诺西拉认为，有两种利用其突破的方法。第一种，传统的太阳能电板捕获太阳光并产生电力;这些电力会启动一个电解槽设备，该设备使用他的催化剂分解水。第二种方法将采用一套更接近模仿树叶结构的系统。催化剂将与一种特殊的用来吸收阳光的染色分子并排;染料捕获的能量将会驱动水分解反应。两种方法都会将太阳能转化为氢燃料，可以简便地储存并在夜间使用，或者在任何需要的时候。

　　太阳能的黑暗面

　　太阳光是世界上最大的可再生能源潜在来源，但是这种潜力也是不稳定的。在国内，不少太阳能热利用企业都在研发新技术，以便太阳能热水器等产品可以在更多的地方应用，比如寒冷和多雨云地区。

　　据悉，即使在美国，太阳能发电也只能满足美国总需求的约1%。大多数太阳能电板都与电网连接，阳光充足时，当太阳能电板以峰值运行时，房主以及企业能够将多余的电力卖给公用事业单位。但是在夜间或者阴雨天气时，他们还要依赖依赖电网。而且，随着太阳能所做贡献的增长，其不可靠性将成为一个日益严重的问题。

　　加州伯克力的劳伦斯伯克力国家实验室(L aw renceBerkeleyN ationalLaboratory)研究电力市场的科学家瑞安·怀瑟(R yanW iser)表示，如果太阳能发展到足够供应总电力的10%，公用事业单位就需要解决在高峰需求时出现阴雨天气的问题。“要么需要运营额外的天然气发电厂，能快速启动弥补损失的电力，要么就需要在能量储存上投资。相对来讲，第一个选择更便宜，因为电力储存太昂贵。”

　　目前的储存方法都不具备规模效应和经济性。加州理工学院的化学教授内森·刘易斯(N athanLew is)表示，以最便宜的一种方法为例：用电将水抽上山，然后让水通过涡轮机产生电力。将一公斤的水抽高100米大约储存了1千焦耳的能量。相比之下，一公斤的汽油大约储存了45000千焦耳的能量。用这种方法储存足够的能量需要大量的水坝和巨大的水库，每天抽空又填满。而且，在阳光尤其充足的地方，也不一定有大规模水可以利用。

　　还有一种常见的方式是电池储存，缺点也是成本高。这种方式会为一个典型的家庭太阳能系统增加一万美元的成本，而且储存的能量有限。刘易斯表示，最好的电池每公斤储存300瓦时的能量，每公斤汽油储存13000瓦时。化学燃料是唯一获得密集能量储存的方法。“在那些燃料中，氢气不仅仅有着比汽油更清洁的潜力，而且按重量算，它能储存更多的能量(大约为三倍)”。

　　人工产生“光合作用”

　　从小到大，随处可见的是，植物能轻易地利用阳光，将足够的材料转变为富含能量的分子。这一个事实嘲笑了寻找新能源技术的化学家几十年。诺西拉研究的方向就是模仿光合作用使得太阳能利用更具备经济性。人工光合作用的领域开始得很快，20世纪70年代早期就有这方面的研究，但是并没有可以推广到应用层面的突破，几十年来，科学家们研究植物吸收太阳光并储存能量的结构和材料，但是并没有找到一个清晰的“路线图”。

　　直到2004年，伦敦帝国学院的研究人员确定了一组蛋白质和金属的结构，对于植物从水中释放氧有重要作用。诺西拉表示，“看到这一点后，我们就可以开始设计系统。”

　　他表示，人工光合作用能提供一个可行的、储存产自太阳能的能量的方法，使人们的房屋不必依赖电网。在这一计划中，来自太阳能电板的电力驱动电解槽，将水分解为氢和氧。氢被储存起来，在夜间或多云的日子，它被装进燃料电池产生电力供应给电灯、电器甚至电动汽车。在阳光充足的天气，有些太阳能直接使用，绕过制造氢的步骤。

　　诺西拉的发现引起了极大关注，不过也有很多质疑的声音。许多化学家觉得其过于乐观，曾是诺西拉导师的托马斯·迈耶表示，尽管诺西拉的催化剂“可能被证明在技术上是重要的，是一个研究发现，不能保证它能够扩大规模或者甚至将它变得实用。”

　　另外一种质疑在于，诺西拉的实验室分解水的步骤不能像商业电解槽那样快。系统越快，生产一定量的氢和氧的商业单位就越小，而通常越小的系统越便宜。也有科学家质疑将太阳光变成电力，然后变为化学燃料，再回到电力的整个原理。他们建议，尽管电池储存的能量远少于化学燃料，它们却高效得多，因为在使用电力制造燃料，然后用燃料产生电力的过程中，每一步都浪费能量。“集中在改善电池技术或其他相似的能量储存形式上更好，而不是发展水电解以及燃料电池。”

　　海水也能成为能源

　　不过，瑞士洛桑联邦理工学院化学和化工教授迈克尔·克拉泽尔(M ichaelG ratzel)有可能将诺西拉的发现变为实用。1991年，克拉泽尔发明了一种新型太阳能电池。它采用一种含染料的钌，就像植物中的叶绿素，吸收阳光，释放电子。然而，克拉泽尔的太阳能电池中，电子并不引发水分解反应。取而代之的是，它们被一个二氧化钛薄膜收集，并受外部电路的指示，产生电力。克拉泽尔的设想是，把他的太阳能电池和诺西拉的催化剂整合到一个设备中，捕获来自太阳的能量，并利用它分解水。

　　原理是，克拉泽尔的染料将代替诺西拉系统中催化剂围绕其形成的电极。当暴露在阳光中时，染料本身就能产生聚集催化剂所需的电压。“染料就像一根导电的分子线，”克拉泽尔表示，然后催化剂在需要它的地方聚集。催化剂一旦形成，染料吸收的阳光就驱动分解水的反应。克拉泽尔表示，与分开使用太阳能电板和电解槽相比，该设备更高效更廉价。

　　诺西拉则在研究的另一可能性，即其催化剂能否用于分解海水。诺西拉研究发现，在最初的测试中，有盐存在的情况下，表现良好，其他正在测试研究，看看它能否处理海水中的其他化合物。如果能够成功，诺西拉的系统就不仅仅能够处理能源危机，它还能帮助解决世界淡水短缺。

　　无论如何，人工绿叶都是一个美好愿景，加州大学伯克利分校的化学和材料科学教授保罗·阿利维撒托斯(PaulA livisatos)表示，他也正领导组织劳伦斯伯克力国家实验室的一个项目，用化学方法模拟光合作用。

　　链接

　　“光合作用”是怎样产生氢气的

　　在一个复制了光合植物中发现的优良条件的实验装置中，丹尼尔o诺西拉展示了一种简便且有廉价潜力的产生氢气方法。通上电压后，钴和溶液中的磷酸盐(左)聚集在一个电极上，形成一种催化剂，随着电子流出电极，水中释放出氧气。氢离子流过一个膜;另一边，通过镍金属催化剂产生氢气(诺西拉还使用了铂催化剂)。