“水變油”有了新思路

趙禮明

20世紀90年代初,我國科技界有過一場著名的“水變油”鬧劇。始作俑者王洪成是個只有小學文化的混混,聲稱自己掌握了一門足以改變科學史的技術,其核心理論是:配制出一種配方保密的母液,按照1∶100000的比例加入水中,便形成了所謂“水基燃料”。據稱該“燃料”完全可以替代汽油作為汽車燃料,而且其熱值比汽油還要高,成本僅為汽油的千分之一,且不產生任何污染物。

稍微具有科學常識的人都知道,水是由氫氧元素形成的簡單化合物,而汽油等油類是成分復雜的由碳、氫元素形成的烴類,在我們通常所認識的變化過程中(無論物理變化還是化學變化),是不可能產生新元素的。然而就這么一個手法拙劣的騙局,隨著王洪成導演的幾場類似于“魔術”的現場表演,居然獲得了不少支持。

那么,水究竟能不能變成油呢?當然不能!很多水變油的表演,只不過是在水中加入了一些熱值很高的高端油類,加入內燃機中時,由于油的密度比水小,所以短時間內燃燒油類推動機器是完全可以實現的。

其實,一直以來,很多科學家都曾有過這樣美妙的設想:能否把水中豐富的氫元素利用起來,這將是取之不盡用之不竭的能源,而且是真正的綠色能源。然而在技術層面上,卻有著幾乎不可逾越的障礙,首先從能量守恒的觀點上,分解水獲得的氫能最多與分解過程中消耗的能量持平,所以無論是高溫分解,還是電解,都沒有實際意義。有人寄希望于找到合適的還原劑,能從水(或者酸)中置換出氫。最合適的還原劑當然就是活潑金屬了,但是能夠直接從水中置換出氫的金屬大多需要電解冶煉,成本高昂,所以用金屬置換氫理論可行、實驗研究也完全可以實現,卻沒有實際的工業利用價值。

一切似乎陷入了僵局,然而科學家們另辟蹊徑,從利用太陽能的角度提出了光解水的現實途徑,從而實現了另一種意義的“水變油”。

從化學熱力學的角度,水作為化合物非常穩定,但水作為一種電解質又是可以電解的。在電解池中,把水電解為氫和氧完全可以實現(還可加入一些不參加反應的電解質比如硫酸鈉以增強水的導電性)。所以最簡單的思路,先把太陽能轉化為電能,再利用產生的電能來電解水?？茖W家們模擬了一種“光電化學池”,通過光陽極吸收太陽能并將光能轉化為電能。光陽極通常是光半導體材料,在光激發條件下產生一種“電子空穴對”,所以光陽極就形成了對極,也就是陰極,則光陽極、水、和對極就組成了光電化學池。在電解質存在下光陽極吸收太陽光,在半導體導帶上產生的電子經外電路流向對極,而水電離出的氫離子在對極上接受電子生成氫氣。光電化學池的結構非常復雜、材料相當昂貴,所以目前只局限在實驗室中,還難以在工業層面上得到大規模推廣。

綠色植物的光合作用實際上也是一個對水進行分解的過程。葉綠素吸收了太陽光,將光能轉化為電能,借助于電子的轉移將水分解,只不過產生的氫并未析出,而是和其他元素合成了營養物質以儲存能量?？茖W家們開始進行人工模擬光合作用分解水,這種過程稱為光助絡合催化,用一種稱為鎂葉琳的光敏絡合物來傳遞電子,吸收波長為680納米的可見光誘發電荷分離,使水分解釋放氧,由于缺乏和氫結合的物質,因此氫氣也能夠以單質形式析出。光助絡合催化是化學仿生學上的重要突破,且有美好的應用前景,比某些科學家近乎瘋狂的設想——在人體內植入葉綠素,讓皮膚發生光合作用,從而人就可以不用進食而生存——顯然要具備更強的倫理意義和可操作性。

有些科學家進一步提出,可以把TiO2或CdS等光半導體微粒直接懸浮在水中進行光解反應,這樣雖然局部產生氫氣的量非常微小,但集腋成裘,如果擴大規模,產量也將非?？捎^。然而類似的嘗試目前都尚未達到大規模量化生產的層次。不過在可以預見的將來,氫能必將走進尋常百姓家,代替目前日漸枯竭的化石燃料,成為我們生活中最為常見的能源形式。所以,一些持樂觀態度的科學家認為:能源危機根本不是什么問題——一種舊的東西消亡了,必然會有新生事物來代替它,這才符合事物發展的客觀規律。正如哲人所說:上帝給你關閉一扇門,必然同時給你開啟一扇窗。

編輯/梁宇清