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模拟光合作用实现太阳能转换的人造树叶诞生

2020-05-30 20:37:03

众所周之,太阳光中蕴藏着巨大的能量,并且是不会产生温室气体污染的清洁能源,但是由于在晚间或阴雨天气下没有直接的太阳照射,需要借助将晴天的太阳能储存起来。这种储存技术目前来说成本过高,效率过低,严重阻碍了太阳能大规模取代化石类燃料的进程,因此,提高现有太阳能储存技术是太阳能发展的关键。

一场生动的展示

在美国麻省理工学院礼堂内,坐满了科学家和美国政府部门负责能源问题的官员。讲台上,麻省理工学院化学系教授丹尼尔·罗塞拉正在通过视频展示他的最新研究成果,礼堂的灯光调得很暗,水槽内浸着一块条状材料,材料周围不断有大量气泡冒出。丹尼尔正在激动地说明:“这些气泡就是水槽中的水分解后产生的氧气,这个装置代表了我们的未来,我们已经获得了人造树叶,像真正绿色植物的树叶一样通过光合作用将太阳光中的能源充分利用,转化为我们需要的能量。”

实际上,丹尼尔教授展示的正是利用光合作用原理将水分解成氧气和氢气的化学反应装置,由于丹尼尔教授成功研发出一种催化剂,利用这种催化剂,水分解的化学反应首次可以在常温下进行,从而克服了利用水制成氢气这一重要反应中最困难的一个难题。这个成果的重要意义更在于,利用的主要障碍将被克服,太阳能可能取代石油成为最主要的能源。

在丹尼尔的研究中,太阳光照射下,水分解成氢气,而氢气是一种用途多样容易储存的燃料,可以密封在内,也可以与中的氧气重新结合,更重要的是,如果该设想用在海水中,太阳能不仅能分解海水产生电能,更能使得分解后的氢气与氧气重新结合而形成宝贵的淡水。

模拟光合作用储存太阳能的技术早在上世纪70年代初就进入了科学家的视线。几十年来,研究人员一直在尝试复制绿色植物分解水的方式。利用化学方式,科学家早已能够完成水的分解反应,但这些化学反应条件非常苛刻,温度很高,溶液具有腐蚀性很强的碱性,而且催化剂需要用到铂等稀有而昂贵的化合物。丹尼尔的设计就像光合作用一样,分解水的反应在室温下就可进行,溶液也没有腐蚀性,更重要的是催化剂非常便宜,可以很容易地得到氢气和氧气。

丹尼尔认为可以从两个方面利用他的这个研究突破。一种是,利用传统的太阳能板捕获太阳能发电,利用这些电能将电解槽中的水分解,这些电解槽中放有丹尼尔研制的催化剂。另一种是,设计一个系统,这个系统完全模拟树叶的结构,将催化剂与特制的染料分子间隔着紧密排列,燃料吸收太阳光捕获能量,这些能量帮助催化剂启动水的分解反应。无论哪种设计,当水分解成氢气后,太阳能就储存到氢气燃料中了,这样无论夜间还是阴雨天,储存的氢气可以代替太阳光为我们发电。

太阳能开发中的暗区

太阳光是世界上潜力最大的可再生能源,但这种巨大潜力在变成现实的过程中困难重重,其中主要的困难就是太阳能板无法在夜间或阴雨天继续工作,因此现在安装的太阳能板往往需要与电网连接,以便在太阳能板无法工作的条件下利用电能满足需要。

太阳能的这种不连续性和不可靠性制约了太阳能的普及,到现在为止,美国用户中太阳能的利用占整个电力生产的比例不到1%%。为了扩大太阳能的使用比例,必须解决太阳能的这种不可靠性。思路有两个,要么在太阳能以外提供其他的能量供应,比如天然气或电能;要么将太阳光充足时的太阳能储存起来。前者目前比较便宜,而储存太阳能目前的技术成本太高,无法与前者竞争。

为了降低成本,必须加大太阳能的使用范围,通过增加规模效应来降低成本,也就是说,要想使太阳能成为基本的电力来源,必须拥有可负担得起的太阳能储存技术。但是现有技术并不能满足足够规模的储存条件,以目前最便宜的储存技术为例,用电能将水通过水泵抽到高处,再让这些水通过涡轮发电,这种技术的效率是每千克水抽高100米储存的能量大约有1千焦,而1千克汽油含有的能量就有4.5万千焦。而且这种储存能量的方式往往需要建设大量的水坝和水库,水库每天都需要抽干和充满一次水,在美国亚利桑那州和内华达州这些太阳光特别充足的地方,找到足够的水源又是一个问题。

另外,利用电池储存太阳能也非常昂贵。通常,一个家用太阳能系统如果安装储存太阳能的电池,成本就会增加1万美元,而且电池储存的能量比汽油和氢气等化学物质少很多。目前最好的电池每千克也只能储存300瓦时的能量,而汽油每千克能储存的能量高达1.3万瓦时。

所有数据表明,化石类燃料是储存大量能量的唯一选择,而所有石化燃料中,氢气不仅是最清洁的,而且单位重量所储存的能量也是最多的,相同重量所储存的能量是汽油的3倍,唯一的缺点是以气态存在,会占据较多的空间。因此,丹尼尔模拟光合作用的方式,可能会解决利用氢气更便宜更高效储存太阳能的难题。

模拟植物光合作用

绿色植物的光合作用原理,就是利用叶绿素捕获太阳能,然后利用太阳能启动一系列复杂的化学反应,通过这些化学反应将水和二氧化碳转化成淀粉和多糖等能量丰富的碳水化合物。研究人员模拟光合作用的研究重点主要集中在光合作用的第一步,即蛋白质和无机催化剂如何共同作用,帮助植物中的水分高效分解成氧离子和氢离子。

早在上世纪70年代初,日本东京大学一位研究生最先证明,利用二氧化钛(白色涂料的组分)制作的电极,500瓦氙灯产生的强光能够将水慢慢分解,这一发现首次证明光能够被用来分解植物外的水分。1974年,美国北卡罗来纳大学化学系教授汤姆斯·梅尔证明,钌金属涂料能够在光能作用下发生化学变化,使水失去电子,帮助完成水分解反应最开始的重要一步。

虽然这两种技术最终证明没有实用性,二氧化钛不能吸收足够量的太阳光,梅尔实验中的钌涂料在光作用下的化学形态存续时间太短,只是瞬间态,但是两项科研成果激发了科学家们的想象力,众多科学家开始了模拟光合作用的研究。

几十年来,科学家们已经通过研究弄明白了植物吸收太阳光和储存能量所需要的特殊结构和物质,但是反应所涉及的详细机理还没有弄清楚,直到2004年,英国伦敦皇家学院的研究人员才证明,植物光合作用中水中氧分子得以分离的关键在于一组特殊结构的蛋白质和金属,催化剂的核心组分是蛋白质、氧原子、镁离子和钙离子以特殊方式结合后形成的。

丹尼尔从1984年开始就一直从事光合作用背后的化学反应研究。刚开始,他连“如何从水中分离氧”这一最重要的问题都无法解决,于是开始改变思路,通过逆向思维,研究如何将氧离子与电子结合合成水,结果发现,某些含钴的化合物是这类反应比较好的催化剂,当他反过来重新研究水分解反应的时候,选择了同样的钴化合物作为催化剂。

钴化合物在水中很容易溶解后将钴分离,所以无法对这些钴化合物的催化作用进行研究,丹尼尔于是大胆选用磷酸钴代替那些复杂的钴化合物,直接验证钴对水分解反应的作用。将电极浸在含有磷酸钴的水溶液中,当通上电流后,钴离子和磷酸根离子会聚集在电极上并形成一层非常薄的薄膜,几分钟后电极上就会形成一层浓厚的气泡,进一步的试验证明,这些气泡就是水分解后产生的氧气。丹尼尔和他的同事们没有想到,磷酸钴这么简单的化合物能够取代植物光合作用中的复杂化合物,催化水的分解反应。

而这个简单的催化剂正是科学家们需要的,有了它,就能够在光合作用一样的室温条件下将水分解成氧气和氢气了。丹尼尔接下来准备继续研究其他金属的催化作用,并且利用这些金属催化剂设计出分解水的电池。

能量巨大的人造树叶

丹尼尔的研究一经公布,立即引来一些人的质疑,这些质疑主要集中在,丹尼尔的研究成果不能保证规模化运作,即无法实现实际运用。

首先,对于设计电池的运用,一般情况下,电流越大,催化剂使水分解成氧气的速度越快,目前丹尼尔的电极所产生的电流每平方厘米只有1毫安,而商业化运作目标的电极通常需要每平方厘米1000毫安的电流,这个差距相当大。

另外对于储存太阳能,丹尼尔的原理需要将太阳能转化成电能,再转化成化学能,然后再转化成电能,这些步骤会浪费掉太多的能量,影响太阳能的转换效率。相关人士表示,现在需要做的是改进或电能储存技术,而不是设计水分解器和燃料电池,电解槽效率太低,丹尼尔的研究没有超越。

纵然有诸多质疑,丹尼尔的研究更多的是得到同行的肯定。相关专家认为,丹尼尔的设计可以真正模拟树叶的光合作用原理,是“人造树叶”。作为催化剂的涂料本身像一根分子电线,当阳光照射时,涂料电极能够产生电压,分子电线能够导电,被涂料吸收的太阳光能够驱动水分解的反应。人造树叶比单独使用太阳能板和电极来得更加便宜,能量转化效率也更高。

另外一个重要意义在于,丹尼尔的催化剂可以用来分解海水。初步试验证明,这些催化剂在盐水中仍然保持催化活性,这样的话,丹尼尔的实验成果不但能够解决能源危机,还能帮助解决全世界淡水严重短缺的问题。


(编辑:xiaoyao)

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