陽光＋水＝燃料？

呂　靜

利用催化劑和陽光將水分解成氫氣，如果這一過程可以規(guī)模化生產(chǎn)，將會(huì)使得太陽能成為一種優(yōu)勢(shì)能源

“今天，我來讓大家見識(shí)一下別人從未看過的東西。”在今年5月科學(xué)家和美國政府能源官員云集的會(huì)議上，麻省理工學(xué)院的化學(xué)家諾西拉說道。在會(huì)堂工作人員將燈光調(diào)暗之后，他開始播放錄像。他指著水中材料上升起的泡泡興奮地問：“看到了嗎？氫氣就是從這個(gè)電極上釋放出來的，這個(gè)裝置就是未來我們將獲得的人造綠葉。”

諾西拉展示的以水制氧的化學(xué)反應(yīng)就如同是綠色植物進(jìn)行光合作用一樣，可以說這是一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的進(jìn)展。這一反應(yīng)是在他所研制的催化劑的作用下發(fā)生的。

太陽能獨(dú)一無二之處是可以產(chǎn)生大量清潔能源卻不會(huì)造成全球變暖。但是，由于無法廉價(jià)地儲(chǔ)存，太陽能也就不能大規(guī)模替換化石燃料。在諾西拉的試驗(yàn)中，陽光將水分解，產(chǎn)生的是用途廣泛、易于儲(chǔ)存的氫燃料，氫在內(nèi)燃機(jī)中燃燒或在燃料電池中與氧再結(jié)合。更有前途的是，這種反應(yīng)還有望用來分解海水——通過燃料電池產(chǎn)生氫氣，燃燒時(shí)可以既提供電能又生產(chǎn)了淡水。

早在20世紀(jì)70年代，科學(xué)家就一直在嘗試模擬光合作用來儲(chǔ)存太陽能，特別是想復(fù)制綠色植物分解水的方式。當(dāng)然，化學(xué)家早已知道如何分解水，但這個(gè)過程需要很高的溫度和強(qiáng)堿溶液，還有像金屬鉑那樣稀少和昂貴的催化劑。如今，諾西拉發(fā)明了一種廉價(jià)的催化劑，而且無需腐蝕性化學(xué)制劑就可以在室溫下用水分解出氧氣和氫氣——一如植物上發(fā)生的溫和光合作用條件。

難以儲(chǔ)存的太陽能

盡管陽光是世界上最大的可再生能源的潛在來源，但是這種潛力卻并不容易實(shí)現(xiàn)。不僅僅是太陽能電池板不能在夜間工作，就算是日間也有陽光不足的時(shí)候。這就是為什么現(xiàn)今大多數(shù)太陽能電池板，包括由電力部門建造的太陽能農(nóng)場(chǎng)，以及家庭或企業(yè)裝在屋頂?shù)奶柲茉O(shè)施都和電網(wǎng)相連。在陽光明媚的日子，太陽能電池板的工作達(dá)到其高峰能力，這樣，業(yè)主和公司就可以向電力部門出售其多余的電力。但是，到了夜晚或?yàn)踉普谧‰姵匕宓臅r(shí)候，他們主要還是要依靠電網(wǎng)供電。

這個(gè)系統(tǒng)只有在太陽能占整個(gè)電力生產(chǎn)的比例很小時(shí)才能運(yùn)轉(zhuǎn)：在美國太陽能在總能源供應(yīng)中只占1%，隨著太陽能對(duì)電力貢獻(xiàn)的增加，其不穩(wěn)定性必將成為日益嚴(yán)重的問題。

勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室研究電力市場(chǎng)的科學(xué)家瑞恩?威瑟認(rèn)為，假如太陽能增加到總電力的10%，那么電力部門將必須要解決在高峰供電需求期間發(fā)生烏云蔽日的問題。電力部門要么將需要開設(shè)額外的天然氣發(fā)電廠以補(bǔ)償電能的不足，要么就要直接在能源儲(chǔ)存上投資。威瑟說：“電力儲(chǔ)存太過昂貴了。”

簡(jiǎn)言之，要讓太陽能成為主要的電能，就需要大量可以供應(yīng)的儲(chǔ)存能源。加州理工的化學(xué)教授耐森?路易斯說，大規(guī)模儲(chǔ)存電力在今天根本就不現(xiàn)實(shí)。一個(gè)最經(jīng)濟(jì)的辦法就是使用抽水蓄能電站：利用電將水泵到山上，然后再讓水流過渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。將1公斤的水泵高100米儲(chǔ)存的能量是1千焦耳。相比之下，1公斤的汽油儲(chǔ)存的是45000千焦耳。那么，用這種方法要儲(chǔ)存足夠的能量需要建設(shè)巨大的水壩和水庫，這樣，太陽能設(shè)施不僅需建在陽光充足的地方，為了儲(chǔ)存太陽能，還要能找到足夠的水。

同時(shí)，電池也是非常昂貴的：對(duì)于典型的家庭太陽能系統(tǒng)，應(yīng)用電池將增加大約1萬美元的成本。而且，雖然已經(jīng)在改進(jìn)，但電池儲(chǔ)能還是遠(yuǎn)不及諸如汽油或氫氣儲(chǔ)存的化學(xué)能。路易斯指出，最好的電池每公斤儲(chǔ)存0.3千瓦時(shí)，而每公斤汽油儲(chǔ)存13千瓦時(shí)。他說：“數(shù)字表明，化學(xué)燃料是獲得最大能源儲(chǔ)存的唯一能源密集形式。”

而在所有的燃料中，氫氣不僅比汽油更清潔，而且單位重量的氫所儲(chǔ)存的能更多——是汽油的3倍。當(dāng)然，因?yàn)闅涫菤怏w，它所占的空間也比較大。

這個(gè)挑戰(zhàn)是利用太陽能制造廉價(jià)而有效的燃料。諾西拉正是從這里開始努力模擬光合作用的。

模擬植物

在真正的光合作用中，綠色植物利用葉綠素捕捉來自陽光的能量，然后利用這種能量驅(qū)動(dòng)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橹T如淀粉和糖等含能豐富的碳水化合物。但是很多研究人員最主要的興趣卻集中在這個(gè)過程的一個(gè)早期步驟——有助于高效地將水分解為氧氣和氫離子的蛋白質(zhì)和非有機(jī)催化劑的結(jié)合。

人工光合作用研究的快速起步發(fā)生在20世紀(jì)70年代早期，東京大學(xué)的研究生藤昭和他的論文導(dǎo)師本多健一向世人展示了用二氧化鈦制作的電極。二氧化鈦是一種染料成分，當(dāng)暴露在500瓦的氙氣燈光下時(shí)，它能緩慢地將水分解。這一發(fā)現(xiàn)證明光可以用在植物以外的水分解。1974年，北卡羅來納大學(xué)的化學(xué)教授托馬斯?梅爾證實(shí)，將一種含釕染料暴露在光下時(shí)，就會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，給予其一定電壓，就可以氧化水，即將電子從水中拽出，這正是水分解關(guān)鍵的第一步。

最終，這些方法沒有一種被證明是有實(shí)用價(jià)值的。二氧化鈦不能吸收足夠的陽光，而梅爾的含釕顏料試驗(yàn)中，由光誘導(dǎo)的化學(xué)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間太短，不能加以利用。但是，這些進(jìn)展激勵(lì)了科學(xué)家的想象力。

在接下來的幾十年中，科學(xué)家們研究了吸收陽光和儲(chǔ)存能量的植物結(jié)構(gòu)和材料。他們發(fā)現(xiàn)植物在進(jìn)行水分子、電子和氫離子，或者說質(zhì)子的移動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)是非常周到的，但其中所涉及更為精確的機(jī)制卻一直沒有被人解開。

到了2004年，倫敦帝王學(xué)院終于確定了植物上由水產(chǎn)氧極為關(guān)鍵的蛋白質(zhì)和金屬結(jié)構(gòu)。這種催化劑的中心是一組蛋白質(zhì)和氧原子，以及用特別方式產(chǎn)生相互作用的錳和鈣離子。

諾西拉說：“我們一發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)，就馬上開始設(shè)計(jì)系統(tǒng)了。”他從1984年起開始試圖全面理解光合作用背后的化學(xué)。在看到這一“路徑圖”后，他的研究小組開始按照植物的辦法來處理質(zhì)子和電子，不過他們只采用非有機(jī)的材料，因?yàn)闊o機(jī)物要比蛋白質(zhì)更穩(wěn)定和更耐用。

最初的時(shí)候，諾西拉并沒有嘗試去解決最大的挑戰(zhàn)——將氧從水中拽出來。相反，他從逆反應(yīng)開始做起：用氧和質(zhì)子與電子結(jié)合形成水。他發(fā)現(xiàn)一種含鈷的復(fù)雜化合物是這個(gè)反應(yīng)很好的催化劑，因此在到了嘗試分解水的時(shí)候，他決定采用類似的鈷化合物。

諾西拉知道，鈷能溶解于水，所以在水中使用鈷化合物會(huì)產(chǎn)生問題，他說，“幾天內(nèi)，我們就認(rèn)識(shí)到鈷正在脫離我們精心制造的化合物。”最初的實(shí)驗(yàn)失敗后，他決定采用其他辦法，他不再使用復(fù)雜的化合物，而是轉(zhuǎn)而測(cè)驗(yàn)溶解鈷的催化性質(zhì)，用磷酸鹽加到水中來幫助反應(yīng)。他說：“我們對(duì)自己說，讓我們忘掉所有精心制造的催化劑而直接用鈷吧。”

這一實(shí)驗(yàn)的運(yùn)作比諾西拉和同事們所期望的還要好，當(dāng)電流通過浸在溶液中的一個(gè)電極時(shí)，鈷和磷酸就積累在電極上形成一個(gè)薄膜，然后在幾分鐘之內(nèi)就形成一個(gè)更加密集的泡沫層。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這些泡沫正是從水中分解釋放的氫和氧。

諾西拉說：“很幸運(yùn)，我們沒有理由期望光是用簡(jiǎn)單磷酸鹽中的鈷就能比復(fù)雜鈷化物中的鈷有更好的催化效果。我不能預(yù)測(cè)到這一點(diǎn)。”結(jié)果，這種簡(jiǎn)單的化合物脫穎而出，恰恰成了研究人員需要的催化劑。

“現(xiàn)在我們想了解它。我想知道為什么這個(gè)薄膜中的鈷有這樣的活力，我也許可以用另一種不同的金屬，也許能夠改進(jìn)，也許效果更好。”與此同時(shí)，諾西拉還想和工程師一起合作優(yōu)化這一過程，制造出更有效率的水分解電池。“我們能不能制造出一種在光合作用條件下能有效工作的催化劑呢？答案是能。我們現(xiàn)在實(shí)際上已經(jīng)進(jìn)行到設(shè)計(jì)電池技術(shù)的階段了。”

質(zhì)疑和辯論

諾西拉的發(fā)現(xiàn)贏得了很多注意力，但也不只是一邊倒的叫好聲。很多化學(xué)家發(fā)現(xiàn)他的主張有些夸大其詞；人們并不是懷疑他的發(fā)現(xiàn)，但人們質(zhì)疑他是否能獲得他所設(shè)想的結(jié)果。梅爾曾是諾西拉的良師益友，他卻說：“聲稱這就是人工光合作用的答案簡(jiǎn)直是頭腦發(fā)熱。”他認(rèn)為諾西拉的催化劑“可能在技術(shù)上被證明是重要的”，這個(gè)進(jìn)展只是“一個(gè)研究發(fā)現(xiàn)”，并不能“保證可以大規(guī)模生產(chǎn)或有實(shí)用價(jià)值。”

加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)和材料科學(xué)教授保爾?亞利維薩托在國家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)著用化學(xué)方法模擬光合作用的研究，他說：“我們看到周圍比比皆是的自然光合作用，但這都不是人類現(xiàn)在就真能做到的。”

不管怎么說，正如諾西拉所指出的：利用大自然自己的藍(lán)圖，人類將利用太陽“由一杯水制造出燃料”。這個(gè)想法值得化學(xué)家欣賞，而且從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來是有希望的。