作者:段歆涔 来源:中国科学报 发布时间:2014-6-12 11:17:38
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人造树叶何时遮风挡雨
科学家在将光子转化为能源道路上稳步前进

 

到目前为止,人类所拥有的最大能量源就是太阳,因此储存能量的最佳形式就是化学燃料。必须有人研究人类最大的能量源,并找出储存能量最有效率的方法。

图片来源: Viktor Koen

美国加州理工学院约根森实验室是人工光合联合中心(JCAP)总部——JCAP是一项由能源部(DOE)资助的总价值达1.16亿美元的科研项目,共有研究人员190人,已历时5年。JCAP的目标是设计出一种人工树叶,利用阳光促使氢和其他燃料的燃烧效率比生物燃料的燃烧效率更高。

研究者如此焦急地推动JCAP项目是有原因的:在所有被排放的温室气体之中,约有13%来自交通领域,因此逐步淘汰污染环境的燃料是环保事业的一项核心目标。在这点上,JCAP尤其突出,不仅因为它庞大的规模,还因为它的雄心壮志。DOE于2010年创立了5家能源创新中心,专门负责通过基础科研解决具体问题,JCAP就是其中之一。JCAP承诺在2015年资金合约到期之前设计出一款人工树叶的原型。

尽管JCAP已经在研究道路上迈出了稳健的步伐,但仍然有很长的路要走。科罗拉多州果登市美国国家可再生能源实验室电化学家John Turner说:“制造人工树叶是一项非常具有挑战性的研究项目,虽然回报相当丰厚,但却比所有人一开始设想的要艰难得多。”但是,大量资金和诸多关注使得研究者有信心取得最终的成功。

光照获取

无机化学家Nathan Lewis是JCAP的科学主任,他说:“人们希望人造树叶同时满足三大需求:效率高、价格实惠和坚固耐用。现在我们可以同时满足任意2样条件,但无法同时满足所有条件。”

JCAP的任务就是解决这一问题,并设计出一种比单纯靠太阳能电池板放电分离水分子更廉价的新系统。JCAP设计的人工树叶的核心部分是2块浸入水溶液的电极。通常来说,每一块电极由半导体材料制作而成,该材料能够从太阳光谱中捕获特殊的光能。

此外,电极外表还涂有催化剂,用来确保电极以一定的速度产生氢或氧。而JCAP的设计则与其他人工光合作用设备一样,用薄膜将生成的各种气体隔开,以降低爆炸的风险。

一旦水发生分离,氢气必将出现,它可以单独作为原料或与一氧化碳反应后变为一种液态氢碳化合物燃料。

设计人工树叶的各个元件并让它们发挥作用已经是一项非常困难的任务了,更不要说将所有元件组合在一起确保整个系统运转良好。Lewis说:“这和制造飞机是一个道理,你不仅需要有性能出色的引擎和电子设备,设计科学的机翼和机身,还必须确保各个元件组合在一起后,飞机可以高效安全地飞行。”

在设计人工树叶的过程中,最困难的当属寻找最合适的材料。以硅为例子,它是出色的光电阴极材料,但只有当处于酸性溶液中时才是稳定的。不幸的是,二极管的性能刚好相反,只有当处于酸碱度正好的溶液中时,它才是稳定的。此外,作为最佳的制造氧气的催化剂,铱既稀有又昂贵,无法应用于商业领域。

而在寻找合适材料的过程中,最难的是光电阳极材料的选取。电化学家兼JCAP主管Carl Koval说:“这些电极材料都非常不稳定,甚至连1分钟的稳定状态都达不到。”许多研究者在研究中采用已知的廉价且运行稳定的材料,然后把重点放在如何使它们的吸光性更好上。另一些研究者则在研究中采用已知的吸光性好的材料,而把重点放在如何使它们廉价且运行稳定上。

Lewis承认,现有的吸光器太贵,无法推广到市场上,因为其核心部分是由昂贵的单晶硅为材料制作而成的。但是,如果后续研究证明,价格更低廉的材料能够胜任工作,那么整个系统将变得非常经济实惠。

替代方案

Koval指出,JCAP也面临着一些指责。一些人认为JCAP将重点放到工程建设和人工树叶原型设计上是一个错误,如果JCAP建立的初衷是推进基础科研,那么就不应当按照DOE的意思行事。还有一些人认为制作人工树叶的途径有很多,为何JCAP却只选择其中的一条路来走。

Koval说:“许多人认为,DOE应当将资金合理地分配给不同的研究途径,而不是偏向JCAP。”但是Koval认为,如果把资金分散将会提高风险,最终可能什么成果也没有。

尽管如此,许多替代方案正在如火如荼地进行。例如,加州圣芭芭拉海岸一家名为HyperSolar的公司正在测试一种新系统,该系统覆盖有纳米级粒子材料,将吸光器和催化剂置于一只透明的、充满水的塑料袋中。当受到光照时,塑料袋会膨胀,在这一过程中,氢气和氧气在内部生成,这种设备可以在日照充足的区域例如沙漠中安置。2009年,DOE在一份报告中预测,如果这种设备使用廉价材料,将提高制造氢气10%的经济效益,并能保持10年的稳定。

但Turner分析,该系统也有风险,因为它在制造氢气的同时也在制造氧气。一旦在沙漠中行车时速高于100英里时,随时都有爆炸的危险。HyperSolar公司的研究者正在探索解决这一隐患的方法。加州大学博士后Syed Mubeen是该公司的首席科学家,据他透露,其中一种方法是将2种气体分别装入不同的透明塑料袋中。另一种方法则是用废水替代纯净水,在塑料袋中掺入有机杂质。但是,Mubeen认为这种方法完全破坏了氧气的平衡性。与JCAP的稳定光电阳极一样,HyperSolar公司设计的吸光器也涂有一层保护材料。

发布原型

春季的某一天,JCAP的研究者在加州大学伯克利分校工业区的临时实验室内发布了一款人工树叶原型系统。该原型系统并不是研究小组的最佳成果,它无法维持长时间的稳定,且效率并不是非常高。但它仍然让人们备受鼓舞,看到了人工树叶光明的未来。

JCAP的研究者希望这款原型系统能最终促成工业化生产氢气的工厂。一些研究者还预想家用电器或许也能使用该系统,但Lewis警告说,少量的光无法制造出充足的氢气支持家庭对能源的需求。其他研究者认为,人工树叶技术可以在缺乏能源基础设施的发展中国家大放异彩,为需要能源的地区提供燃料发电。

与此同时,JCAP的研究者和其他人也在研究其他选择,全面推进研究进展。Lewis认为,无论哪一种科技最终取得成功,支撑人造光合作用研究的科学精神都是一致的,那就是坚韧不屈。他说:“到目前为止,人类所拥有的最大能量源就是太阳,因此储存能量的最佳形式就是化学燃料。必须有人研究人类最大的能量源,并找出储存能量最有效率的方法。”

(段歆涔)

《中国科学报》 (2014-06-12 第3版 国际)
 
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