太陽能燃料技術大闖關

不久前，兩個獨立的研究小組分別在《科學》雜志上報道：他們在利用太陽能合成化學燃料方面都邁出了關鍵的一步。

如果這些新的研究工作能夠改進，科學家們就可以利用地球上最豐富的可再生能源，為從工廠到汽車等等一切消耗提供能源，同時不會產生額外的溫室氣體。

現在，人們平均消費15萬億瓦的電能，其中85%來自石油、煤和天然氣等化石燃料。大量化石燃料的消耗產生了一些嚴重的負面效應，包括氣候變暖、海洋變酸、石油泄漏等現象。

隨著全世界能源消耗的增加，預計到2050年，能源需求至少會翻倍，因而在今后的若干年中，上述問題很可能會變得更加嚴重。

太陽光伏能、風力電能等可再生能源的目標就是要滿足這一需求。然而，電作為能源的一種載體，有著一個重大缺陷：難以大量儲存。這就意味著電不能夠應用于多數重工業，以及航空和重型卡車等大型運輸業中。

因此長期以來，研究人員一直在設法利用太陽能制造富含能量的化學燃料，如氫氣、甲烷和汽油等，以便能夠隨時隨地燃燒。盡管研究人員曾經證明，這個目標是可以達到的，但那些制造方法一直效率低下，而且成本居高不下。

在這樣的情況下，產生了兩項新的技術改進。

在第一項技術改進中，麻省理工學院的化學家丹尼爾·諾塞拉領導的研究人員報道說，他們通過便宜而充足的原料制造出了一種“人造葉子”，這種葉子可以將水分解為分子氫（H2）和分子氧（O2），有點類似于植物在進行光合作用過程中的第一步。

葉子是由一塊薄薄的、扁平的、分三層的硅太陽電池組成，硅的兩面都涂有催化劑。當把硅太陽電池放入一杯水中時，硅就會吸收太陽光子，所產生的電子足可以通過硅來傳導。

這個過程將帶有正電的電子空位甩在后面，這種空位被稱為“空穴”，空穴也可以通過硅移動。

這些空穴遷移到硅電池涂著含鈷催化劑的一面，空穴在這里剝脫水分子中的電子，將水分子分解為氫離子（H+）和氧原子。然后這種催化劑將成對的氧原子結合在一起，形成氧分子。同時，氫離子遷移到涂著另外一種催化劑的硅電池另一面，在這里，氫離子跟傳導中的電子結合，形成氫分子。

從原則上講，這種氫產生后可以儲存、燃燒，也可以通過燃料電池發電。

在第二項研究中，伊利諾斯州香檳市二氧化碳物料公司的化學家理查德·馬瑟爾和伊利諾斯大學香檳分校的化學家保羅·凱尼斯領導的一個研究小組報道說：他們已經拿出一個更加高能效的方法，可以將二氧化碳（CO2）轉化為一氧化碳（CO），而這是制造碳氫燃料的第一步。

為了研制這種轉化所需的催化劑和創造合適的反應條件，其他的研究人員已經研究了幾十年。但是，要把二氧化碳轉化為一氧化碳，通常需要為二氧化碳施加高電壓，以促成轉化。

施加高電壓是一種能量損失，這意味著制造一氧化碳所需的能量比其化學鍵中儲存的能量要高得多。

但是，馬瑟爾、凱尼斯及同事發現，利用一種二氧化碳溶劑按照一定的配比做成溶液，被稱為離子液，然后就可以將所需的額外電壓降低近10倍。

離子液是液態鹽，往其中施加額外的負電荷時，液態鹽可以牢固地穩定二氧化碳之類的化合物，這是把二氧化碳轉化為一氧化碳的第一步。

伊利諾斯的研究人員認為，在轉化過程中，二氧化碳穩定性的增加會減少使用外部電荷的必要性。（譯自美國《科學》雜志）