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通过模拟一部分光合作用,丹尼尔•诺西拉找到一种产生氢气的方法,便捷且廉价,从一杯水中制造出了燃料。这一成果很可能大大改善太阳能产业,让太阳能在未来成为主流能源。
诺西拉屈肘不动,目光保持稳定,有点像拍照的姿势。在本该放照相机的位置上,是一个U形试管,里面的液体无色透明,两串小气泡开始从底部冒出来。
这不是一次普通意义的水分解实验。作为展示者,麻省理工学院的化学家丹尼尔•诺西拉(Daniel Nocera)有点激动,“你们看到那个了吗?”他指了指试管一端源源不断冒出来的氧气,“这是未来,我们得到了树叶。”
事实上,同时生成的另一种气体才更重要。这实验真正伟大的意义在于,未来科学家将模仿树叶,在太阳和氢燃料之间,以一种便捷的方式实现能量转化。
人工光合作用
在真正的光合作用中,绿色植物利用叶绿素捕获来自太阳的能量,然后,驱动一系列复杂的化学反应,将水和二氧化碳转变成富含能量的碳水化合物,如淀粉和糖储存起来。
科学家意图将光合作用以某种方式拿到实验室里。
像丹尼尔•诺西拉一样的研究者们感兴趣的是光合作用的早期步骤—蛋白质结合物和无机催化剂如何能帮助将水分解成氧和氢离子。
2 0世纪7 0年代早期,科学家们开始了相关的尝试。当时,他们已经可以分解水,但这一过程却需要高温、苛刻的碱性溶液,或者稀有昂贵的催化剂,如铂。
东京大学研究生藤岛昭( A k i r aFujishima)和他的导师本多健一(KenichiHonda)设计出了二氧化钛制成的电极。当这种电极暴露在500瓦的氙灯光线中,周围接触它的水会被缓慢分解。
1 9 7 4年,北卡罗来纳大学教堂山分校的化学教授托马斯• 迈耶( T h o m a sMeyer)有了新的构想。他发现如果将一种以钌为基础的染剂暴露在光线中,它就可以使水氧化。
但这两种技术后来都被证明不可行。二氧化钛不能吸收足够的太阳光,而迈耶的染剂中,光诱导化学状态太短暂。但无论如何,这些进步大大刺激了科学家们的想象。
当伦敦帝国学院的研究人员终于确定,催化剂的关键是一个蛋白质、氧原子、锰和钙离子的集合,诺西拉知道机会来了。“我一看到这点,就开始设计系统。1984年以来,我们一直在努力完全弄懂光合作用背后的化学。”
诺西拉的团队最终拿出来一套装置,就是提到的那个U形试管。
试管中充满玄机:当接通电源,钴和溶液中的磷酸盐聚集到一个电极,形成一种催化剂。由于它起的作用,电子流出电极,氧气释放出来。而氢离子则流经一层膜去到另一边,在那里,经过镍金属催化,形成氢气。
“从一杯水中制造燃料,”诺西拉说,“这就是未来。”
羡慕叶子的理由
太阳能是个好东西,它的优点是能量来自于太阳。不过它的缺点也是能量来自于太阳。
如今,大多数太阳能电板必须与电网连接:阳光灿烂的日子,太阳能电板以峰值运行,多余的电力卖给公用事业单位。但在夜间或阴天,他们不得不依赖电网。
同时,电池是昂贵的。最好的电池每公斤储存300瓦时的能量,而每公斤汽油储存13000瓦时。
这也就解释了科学家为什么如此迷恋叶子。
但诺西拉的这项发现一提出却遭到质疑。“人工光合作用的说法太疯狂了,”托马斯•迈耶说,他曾是诺西拉的导师,“这种进步只是一个研究发现,但不能保证它能够扩大规模或者甚至将它变得实用。”
其他科学家也并不看好。他们承认,的确,电池储存的能量远远少于化学燃料,但关键是,电池要高效得多!因为在使用电力制造燃料,再用燃料产生电力的过程中,每一步都有能量损耗。“集中在改善电池技术要实际得多。既然电解效率不高,那么为什么要做呢?”
“这是未来”
说这些话的人,眼光可能早就放在了克拉泽尔的新型太阳能电池上。
1991年,瑞士洛桑联邦理工学院教授迈克尔•克拉泽尔(Michael Gratzel)发明出一种同样被喻为“人工树叶”的太阳能电池。在这种电池当中,他使用了含钌的染剂,它就像植物中的叶绿素,能够吸收阳光,释放电子。
不过,克拉泽尔的太阳能电池并不引发水分解反应。取而代之的是,电子被一个二氧化钛薄膜收集,并受外部电路的指示,产生电力。“诺西拉将光能直接转化为电能,而克拉泽尔将光能转化为化学能。”刚刚加入到国内“人工树叶”研究行列中的南京工业大学材料学院教授冯晓东说。
冯晓东补充,克拉泽尔的这种所谓“人工树叶”被公认为最具前景的一种,日本夏普等大企业已经瞄准并投入开发。“这很容易理解,比起单晶硅、多晶硅,它的用料便宜,而且,工序由传统的15、16步减少到6、7步。”
幸运的是,本身研究“人工树叶”的克拉泽尔也看中了诺西拉的“叶子”。克拉泽尔已经表示,他想把自己的太阳能电池和诺西拉的催化剂整合到一个设备中去捕获太阳能,并且,利用它分解水。
这个实现中的装置,计划用克拉泽尔的染剂代替诺西拉系统中催化剂围绕形成的电极。当暴露在阳光中时,染剂本身产生聚集催化剂所需的电压,催化剂聚集成功后,染剂吸收的阳光就驱动分解水的反应。“这个设备会更加高效、更加廉价。”
也许,这才是未来。
诺西拉屈肘不动,目光保持稳定,有点像拍照的姿势。在本该放照相机的位置上,是一个U形试管,里面的液体无色透明,两串小气泡开始从底部冒出来。
这不是一次普通意义的水分解实验。作为展示者,麻省理工学院的化学家丹尼尔•诺西拉(Daniel Nocera)有点激动,“你们看到那个了吗?”他指了指试管一端源源不断冒出来的氧气,“这是未来,我们得到了树叶。”
事实上,同时生成的另一种气体才更重要。这实验真正伟大的意义在于,未来科学家将模仿树叶,在太阳和氢燃料之间,以一种便捷的方式实现能量转化。
人工光合作用
在真正的光合作用中,绿色植物利用叶绿素捕获来自太阳的能量,然后,驱动一系列复杂的化学反应,将水和二氧化碳转变成富含能量的碳水化合物,如淀粉和糖储存起来。
科学家意图将光合作用以某种方式拿到实验室里。
像丹尼尔•诺西拉一样的研究者们感兴趣的是光合作用的早期步骤—蛋白质结合物和无机催化剂如何能帮助将水分解成氧和氢离子。
2 0世纪7 0年代早期,科学家们开始了相关的尝试。当时,他们已经可以分解水,但这一过程却需要高温、苛刻的碱性溶液,或者稀有昂贵的催化剂,如铂。
东京大学研究生藤岛昭( A k i r aFujishima)和他的导师本多健一(KenichiHonda)设计出了二氧化钛制成的电极。当这种电极暴露在500瓦的氙灯光线中,周围接触它的水会被缓慢分解。
1 9 7 4年,北卡罗来纳大学教堂山分校的化学教授托马斯• 迈耶( T h o m a sMeyer)有了新的构想。他发现如果将一种以钌为基础的染剂暴露在光线中,它就可以使水氧化。
但这两种技术后来都被证明不可行。二氧化钛不能吸收足够的太阳光,而迈耶的染剂中,光诱导化学状态太短暂。但无论如何,这些进步大大刺激了科学家们的想象。
当伦敦帝国学院的研究人员终于确定,催化剂的关键是一个蛋白质、氧原子、锰和钙离子的集合,诺西拉知道机会来了。“我一看到这点,就开始设计系统。1984年以来,我们一直在努力完全弄懂光合作用背后的化学。”
诺西拉的团队最终拿出来一套装置,就是提到的那个U形试管。
试管中充满玄机:当接通电源,钴和溶液中的磷酸盐聚集到一个电极,形成一种催化剂。由于它起的作用,电子流出电极,氧气释放出来。而氢离子则流经一层膜去到另一边,在那里,经过镍金属催化,形成氢气。
“从一杯水中制造燃料,”诺西拉说,“这就是未来。”
羡慕叶子的理由
太阳能是个好东西,它的优点是能量来自于太阳。不过它的缺点也是能量来自于太阳。
如今,大多数太阳能电板必须与电网连接:阳光灿烂的日子,太阳能电板以峰值运行,多余的电力卖给公用事业单位。但在夜间或阴天,他们不得不依赖电网。
同时,电池是昂贵的。最好的电池每公斤储存300瓦时的能量,而每公斤汽油储存13000瓦时。
这也就解释了科学家为什么如此迷恋叶子。
但诺西拉的这项发现一提出却遭到质疑。“人工光合作用的说法太疯狂了,”托马斯•迈耶说,他曾是诺西拉的导师,“这种进步只是一个研究发现,但不能保证它能够扩大规模或者甚至将它变得实用。”
其他科学家也并不看好。他们承认,的确,电池储存的能量远远少于化学燃料,但关键是,电池要高效得多!因为在使用电力制造燃料,再用燃料产生电力的过程中,每一步都有能量损耗。“集中在改善电池技术要实际得多。既然电解效率不高,那么为什么要做呢?”
“这是未来”
说这些话的人,眼光可能早就放在了克拉泽尔的新型太阳能电池上。
1991年,瑞士洛桑联邦理工学院教授迈克尔•克拉泽尔(Michael Gratzel)发明出一种同样被喻为“人工树叶”的太阳能电池。在这种电池当中,他使用了含钌的染剂,它就像植物中的叶绿素,能够吸收阳光,释放电子。
不过,克拉泽尔的太阳能电池并不引发水分解反应。取而代之的是,电子被一个二氧化钛薄膜收集,并受外部电路的指示,产生电力。“诺西拉将光能直接转化为电能,而克拉泽尔将光能转化为化学能。”刚刚加入到国内“人工树叶”研究行列中的南京工业大学材料学院教授冯晓东说。
冯晓东补充,克拉泽尔的这种所谓“人工树叶”被公认为最具前景的一种,日本夏普等大企业已经瞄准并投入开发。“这很容易理解,比起单晶硅、多晶硅,它的用料便宜,而且,工序由传统的15、16步减少到6、7步。”
幸运的是,本身研究“人工树叶”的克拉泽尔也看中了诺西拉的“叶子”。克拉泽尔已经表示,他想把自己的太阳能电池和诺西拉的催化剂整合到一个设备中去捕获太阳能,并且,利用它分解水。
这个实现中的装置,计划用克拉泽尔的染剂代替诺西拉系统中催化剂围绕形成的电极。当暴露在阳光中时,染剂本身产生聚集催化剂所需的电压,催化剂聚集成功后,染剂吸收的阳光就驱动分解水的反应。“这个设备会更加高效、更加廉价。”
也许,这才是未来。