太阳能电解水制氢更高效 或成能源危机解决方案

未来汽车内燃烧的将不再是汽油，而是氢能源

　　植物在光合作用过程中产生的能量是否可以用来为汽车提供动力呢？这一想法似乎遥远，事实上，它可以为未来汽车设计提供灵感。这确实是一个迷人的想法。

　　眼下，世界各国为不断满足市场需求，不少科学家都在加紧开发清洁高效的新能源。在这样的大背景下，探索被认为最有希望取代化石燃料的氢能早已不是什么秘密。

　　不久前，一则仿光合作用研发出造氢新方法的新闻成为人们关注焦点。在《自然化学》杂志上刊登的一篇论文中概述了英国格拉斯哥大学的科学家，如何重现在不同时间和不同物理位置，植物通过太阳能把水分子分解成氢和氧的方法。据了解，他们受到植物光合作用的启发，采用电子耦合的质子缓冲（ECPB）方法成功从水中分离出氢气和氧气。研究人员称，这套系统可以在工业规模上生产氢气，比目前的方法成本低且安全。有专家表示，这个“重要”发现的来临，为解决全球能源问题提供了一个潜在的解决方案。

　　亮点

　　发现一个能同时接受电子和质子的稳定中间体

　　实际上，模仿植物光合作用从水中分解氢并不是第一次出现。在今年年初就有媒体曾报道，美国麻省理工学院在美国国家科学院期刊发表了以人造光合作用技术为基础的永续性科技蓝图，为新一代节能技术建立了基准，并列举了建立以人造光合作用为基础的永续性“氢经济” 所需的技术研发成果。

　　相比之下，这次研究的亮点突出在哪儿？中国科学院化学研究所张纯喜博士说：“这项研究是一个电化学方面的工作，其亮点是发现一个能够同时接受电子和质子的稳定中间体，它能够有效接受电解水释放的电子和质子，从而将电解水的氧气释放和氢气释放在空间和时间上更有效地分开。”

　　据了解，电解原理是让电通过水，不仅耗电能，还因为氢和氧同时被分离出来，而带有爆炸危险。但在格拉斯哥大学研发的新的电解方法中，通过研究人员所谓的“电子耦合质子缓冲”，氢和氧在不同时间从水中分离出来。在电通过水时，这有助于收集和存储氢。通过这种方法，先只有氧被释放出来，然后氢在合适时间才被释放出来。纯氢不会自然产生，所以要用能源制造它。这个新的电解方法需要更长时间，却更安全，每分钟消耗更少能源，使其更容易依赖于电流所需的可再生能源把氢分离出来。

　　重点

　　如何利用太阳能产氢能

　　张纯喜告诉记者，水电解制氢是目前应用较广且成熟的方法，但由于耗电大，用常规电制氢，从能量利用而言得不偿失。“如何利用太阳能产生电能或氢能才是今后模仿光合作用的核心。”

　　不久前，来自英国东英吉利大学、剑桥大学和利兹大学的科学家利用合成生物技术，模拟植物吸收太阳能并将水分解为氢气和氧气的过程。记者了解到，该项研究将建立一个人工光合作用系统，在微生物上面放置微型太阳能板，利用太阳光促进氢能的生产。该项目研究人员坚信，模拟植物光合作用比现有的太阳能转换系统更能高效地利用太阳能量。

　　“伴随人类社会的能源危机和环境污染的日益加剧，这方面的研究被越来越多的科学工作者所关注，各国政府对该领域的研究也投入了大量的人力和物力，人们期待能够模仿植物的光合作用，直接利用地球上广泛存在的太阳光和水，产生电能或氢能，从而从根本上解决人类社会的能源和环境问题。”张纯喜说。

　　据了解，近年来中国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，并且目前中国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一。

　　难点

　　工业电解水成本待降低

　　“模仿植物的光合作用一般是指利用太阳光将水高效裂解，产生氧气，获得电能或氢能。该领域最关键和最难点是如何获得高效廉价水裂解催化剂。”张纯喜说，目前这方面的研究尚未取得突破，不过好消息是经过几十年的努力，科学家们最近成功揭示了自然界植物能够实现高效光解水催化剂的结构。

　　张纯喜称：“这一生物催化剂结构的揭示为今后的模仿光合作用，实现人工控制高效光解水指明了方向。我们和国际很多研究小组目前正在这方面开展深入研究。”

　　尽管许多国家都已部署氢能战略，但50年来，氢能的应用推广速度却一直较慢，且尚未实现商业化。

　　对此，张纯喜表示，目前就如何降低工业电解水的成本还有很多问题需要回答。“其中强酸性条件、分子量大的电子和质子接受体的使用等都是不利因素。”

　　延伸

　　“人工树叶”能为卧室供能源

　　“一片能进行光合作用的人工树叶”或将改变世界能源格局。据美国ABC新闻3日报道，美国通用公司2013年度“面向未来的电影短片竞赛中”，科技短片《人工树叶》获陪审团奖，该电影节旨在向人们展示科技发展新方向的。

　　“人造树叶”实则为一片涂上催化剂、能够模仿光合作用的硅片，能在太阳的照射下从水中分离出氢气和氧气。因其内部排列着很多微小的水流管道，水流在有太阳时流过“树叶”，系统便会自动开启电解程序，将水进一步分解成氧和氢，然后将氢气储存起来，便可转变成燃料电池所需的电能。该项目于2009年入选美国能源部高级项目署，获得研发资金，获封“美国未来能源安全的保障”。

　　研发者诺切拉非常希望“人造树叶”成功降低成本后，能打破目前能源市场的垄断，形成多样分散的能源供应系统，“这样就不必完全依赖现有能源网。尤其对于没钱付电费、供暖费的穷人，买片‘人工树叶’，只要能晒到阳光，再有一瓶半的饮用水，就完全能够提供一个小卧室所需的所有能源。”而去年，“人工树叶”还只能从纯净水中分解氢气。