趙禮明

20世紀(jì)90年代初,我國科技界有過一場(chǎng)著名的“水變油”鬧劇。始作俑者王洪成是個(gè)只有小學(xué)文化的混混,聲稱自己掌握了一門足以改變科學(xué)史的技術(shù),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(jù)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(chǎn)生任何污染物。

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

那么,水究竟能不能變成油呢?當(dāng)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(nèi)燃機(jī)中時(shí),由于油的密度比水小,所以短時(shí)間內(nèi)燃燒油類推動(dòng)機(jī)器是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

其實(shí),一直以來,很多科學(xué)家都曾有過這樣美妙的設(shè)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(shù)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(diǎn)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(shí)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(dāng)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(shí)驗(yàn)研究也完全可以實(shí)現(xiàn),卻沒有實(shí)際的工業(yè)利用價(jià)值。

一切似乎陷入了僵局,然而科學(xué)家們另辟蹊徑,從利用太陽能的角度提出了光解水的現(xiàn)實(shí)途徑,從而實(shí)現(xiàn)了另一種意義的“水變油”。

從化學(xué)熱力學(xué)的角度,水作為化合物非常穩(wěn)定,但水作為一種電解質(zhì)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(shí)現(xiàn)(還可加入一些不參加反應(yīng)的電解質(zhì)比如硫酸鈉以增強(qiáng)水的導(dǎo)電性)。所以最簡(jiǎn)單的思路,先把太陽能轉(zhuǎn)化為電能,再利用產(chǎn)生的電能來電解水?？茖W(xué)家們模擬了一種“光電化學(xué)池”,通過光陽極吸收太陽能并將光能轉(zhuǎn)化為電能。光陽極通常是光半導(dǎo)體材料,在光激發(fā)條件下產(chǎn)生一種“電子空穴對(duì)”,所以光陽極就形成了對(duì)極,也就是陰極,則光陽極、水、和對(duì)極就組成了光電化學(xué)池。在電解質(zhì)存在下光陽極吸收太陽光,在半導(dǎo)體導(dǎo)帶上產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路流向?qū)O,而水電離出的氫離子在對(duì)極上接受電子生成氫氣。光電化學(xué)池的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、材料相當(dāng)昂貴,所以目前只局限在實(shí)驗(yàn)室中,還難以在工業(yè)層面上得到大規(guī)模推廣。

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

有些科學(xué)家進(jìn)一步提出,可以把TiO2或CdS等光半導(dǎo)體微粒直接懸浮在水中進(jìn)行光解反應(yīng),這樣雖然局部產(chǎn)生氫氣的量非常微小,但集腋成裘,如果擴(kuò)大規(guī)模,產(chǎn)量也將非?？捎^。然而類似的嘗試目前都尚未達(dá)到大規(guī)模量化生產(chǎn)的層次。不過在可以預(yù)見的將來,氫能必將走進(jìn)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(tài)度的科學(xué)家認(rèn)為:能源危機(jī)根本不是什么問題——一種舊的東西消亡了,必然會(huì)有新生事物來代替它,這才符合事物發(fā)展的客觀規(guī)律。正如哲人所說:上帝給你關(guān)閉一扇門,必然同時(shí)給你開啟一扇窗。

編輯/梁宇清