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)?；a，將會使得太陽能成為一種優(yōu)勢能源

“今天，我來讓大家見識一下別人從未看過的東西?！痹诮衲?月科學家和美國政府能源官員云集的會議上，麻省理工學院的化學家諾西拉說道。在會堂工作人員將燈光調暗之后，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？氫氣就是從這個電極上釋放出來的，這個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反應就如同是綠色植物進行光合作用一樣，可以說這是一項意義深遠的進展。這一反應是在他所研制的催化劑的作用下發(fā)生的。

太陽能獨一無二之處是可以產生大量清潔能源卻不會造成全球變暖。但是，由于無法廉價地儲存，太陽能也就不能大規(guī)模替換化石燃料。在諾西拉的試驗中，陽光將水分解，產生的是用途廣泛、易于儲存的氫燃料，氫在內燃機中燃燒或在燃料電池中與氧再結合。更有前途的是，這種反應還有望用來分解海水——通過燃料電池產生氫氣，燃燒時可以既提供電能又生產了淡水。

早在20世紀70年代，科學家就一直在嘗試模擬光合作用來儲存太陽能，特別是想復制綠色植物分解水的方式。當然，化學家早已知道如何分解水，但這個過程需要很高的溫度和強堿溶液，還有像金屬鉑那樣稀少和昂貴的催化劑。如今，諾西拉發(fā)明了一種廉價的催化劑，而且無需腐蝕性化學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場，以及家庭或企業(yè)裝在屋頂?shù)奶柲茉O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，到了夜晚或烏云遮住電池板的時候，他們主要還是要依靠電網(wǎng)供電。

這個系統(tǒng)只有在太陽能占整個電力生產的比例很小時才能運轉：在美國太陽能在總能源供應中只占1%，隨著太陽能對電力貢獻的增加，其不穩(wěn)定性必將成為日益嚴重的問題。

勞倫斯伯克利國家實驗室研究電力市場的科學家瑞恩?威瑟認為，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額外的天然氣發(fā)電廠以補償電能的不足，要么就要直接在能源儲存上投資。威瑟說：“電力儲存太過昂貴了。”

簡言之，要讓太陽能成為主要的電能，就需要大量可以供應的儲存能源。加州理工的化學教授耐森?路易斯說，大規(guī)模儲存電力在今天根本就不現(xiàn)實。一個最經濟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)電機發(fā)電。將1公斤的水泵高100米儲存的能量是1千焦耳。相比之下，1公斤的汽油儲存的是45000千焦耳。那么，用這種方法要儲存足夠的能量需要建設巨大的水壩和水庫，這樣，太陽能設施不僅需建在陽光充足的地方，為了儲存太陽能，還要能找到足夠的水。

同時，電池也是非常昂貴的：對于典型的家庭太陽能系統(tǒng)，應用電池將增加大約1萬美元的成本。而且，雖然已經在改進，但電池儲能還是遠不及諸如汽油或氫氣儲存的化學能。路易斯指出，最好的電池每公斤儲存0.3千瓦時，而每公斤汽油儲存13千瓦時。他說：“數(shù)字表明，化學燃料是獲得最大能源儲存的唯一能源密集形式?！?/p>

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存的能更多——是汽油的3倍。當然，因為氫是氣體，它所占的空間也比較大。

這個挑戰(zhàn)是利用太陽能制造廉價而有效的燃料。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動一系列復雜的化學反應，將水和二氧化碳轉變?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過程的一個早期步驟——有助于高效地將水分解為氧氣和氫離子的蛋白質和非有機催化劑的結合。

人工光合作用研究的快速起步發(fā)生在20世紀70年代早期，東京大學的研究生藤昭和他的論文導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，當暴露在500瓦的氙氣燈光下時，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，北卡羅來納大學的化學教授托馬斯?梅爾證實，將一種含釕染料暴露在光下時，就會發(fā)生化學變化，給予其一定電壓，就可以氧化水，即將電子從水中拽出，這正是水分解關鍵的第一步。

最終，這些方法沒有一種被證明是有實用價值的。二氧化鈦不能吸收足夠的陽光，而梅爾的含釕顏料試驗中，由光誘導的化學狀態(tài)持續(xù)時間太短，不能加以利用。但是，這些進展激勵了科學家的想象力。

在接下來的幾十年中，科學家們研究了吸收陽光和儲存能量的植物結構和材料。他們發(fā)現(xiàn)植物在進行水分子、電子和氫離子，或者說質子的移動設計時是非常周到的，但其中所涉及更為精確的機制卻一直沒有被人解開。

到了2004年，倫敦帝王學院終于確定了植物上由水產氧極為關鍵的蛋白質和金屬結構。這種催化劑的中心是一組蛋白質和氧原子，以及用特別方式產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，就馬上開始設計系統(tǒng)了?！彼麖?984年起開始試圖全面理解光合作用背后的化學。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子和電子，不過他們只采用非有機的材料，因為無機物要比蛋白質更穩(wěn)定和更耐用。

最初的時候，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，他從逆反應開始做起：用氧和質子與電子結合形成水。他發(fā)現(xiàn)一種含鈷的復雜化合物是這個反應很好的催化劑，因此在到了嘗試分解水的時候，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產生問題，他說，“幾天內，我們就認識到鈷正在脫離我們精心制造的化合物?！弊畛醯膶嶒炇『?，他決定采用其他辦法，他不再使用復雜的化合物，而是轉而測驗溶解鈷的催化性質，用磷酸鹽加到水中來幫助反應。他說：“我們對自己說，讓我們忘掉所有精心制造的催化劑而直接用鈷吧?！?/p>

這一實驗的運作比諾西拉和同事們所期望的還要好，當電流通過浸在溶液中的一個電極時，鈷和磷酸就積累在電極上形成一個薄膜，然后在幾分鐘之內就形成一個更加密集的泡沫層。進一步的實驗證實，這些泡沫正是從水中分解釋放的氫和氧。

諾西拉說：“很幸運，我們沒有理由期望光是用簡單磷酸鹽中的鈷就能比復雜鈷化物中的鈷有更好的催化效果。我不能預測到這一點?！苯Y果，這種簡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，也許效果更好?！迸c此同時，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?！拔覀兡懿荒苤圃斐鲆环N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)在實際上已經進行到設計電池技術的階段了?！?/p>

質疑和辯論

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)，但人們質疑他是否能獲得他所設想的結果。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直是頭腦發(fā)熱?！彼J為諾西拉的催化劑“可能在技術上被證明是重要的”，這個進展只是“一個研究發(fā)現(xiàn)”，并不能“保證可以大規(guī)模生產或有實用價值?！?/p>

加州大學伯克利分校的化學和材料科學教授保爾?亞利維薩托在國家實驗室領導著用化學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?！?/p>

不管怎么說，正如諾西拉所指出的：利用大自然自己的藍圖，人類將利用太陽“由一杯水制造出燃料”。這個想法值得化學家欣賞，而且從長遠看來是有希望的。