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利用阳光:寻找电池以外的途径
#生物

太阳能具有产生大量清洁能源的潜力,如果能够利用起来,大规模地取代化石燃料,将大大缓解全球变暖。而一提到太阳能的利用,人们首先就会想到太阳能电池。

从发现光伏现象(Photovoltaic effect),到美国建成世界上最大的太阳能电厂,对于太阳能电池的研究确实有了长足的发展。但是,居高不下的制造成本、如何提高光能转化效率和实现能量的有效储存仍然是太阳能电池应用推广的巨大阻碍。

以目前常用的硅太阳能电池为例,在全使用期的发电售价是同期传统电价的两倍。这样的价格消费者实在难以接受。

自1883年,效率只有1%的第一块太阳能电池诞生,到2010年的今天,127年过去了,市场上量产的太阳能电池的平均功率还是只有15%。即使有新开发的高效率太阳能电池,又陷入造价高昂的困境。德国夫琅禾费太阳能研究所开发的转化效率达41%的复合型光合电池,10厘米见方的电池造价高达数千美元,而电压只有0.5伏,要想得到足以供家庭使用的太阳能电池板,需要将成千上万片这样的小单元拼合起来,费用可想而知。

储存是另一个难题。要想在晚上或者没有太阳的时候使用太阳能,就是将太阳能电池产生的电能储存起来。最常用的电能蓄积装置就是电池,而这类蓄电池或有着很强的“记忆效应”,使用一段,有效容量就会大大降低。即使存在没有“记忆效应”的新型锂离子电池,造价又过于昂贵。并且,目前为止还没有供住宅使用的大容量锂离子电池。

除了太阳能电池,还有没有其他的途径能实现太阳能的利用呢?早在20世纪70年代,科学家就已经试着模仿光合作用来利用太阳的能量,但都有反应条件苛刻、成本高等问题。

MIT的科学家Daniel Nocera和Matthew Kanan的研究成果大大扭转了这一现状。白天,用太阳能来提供日常的一切能量需求,同时利用太阳能将水分解成氢气和氧气,并将氢气储存起来。到了晚上,利用氢气作为燃料来提供能量,解决了储存的问题。

我们很早就知道水能够被电解,产生氢和氧。Daniel Nocera和Matthew Kanan的贡献在于,他们将这个过程变得简单易行。传统的电解反应,或者需要很高的电压,或者反应的催化剂极其昂贵,如铂和钌,并且反应的顺利进行需要特定的温度和气压。Daniel Nocera和Matthew Kanan找到了更好的方法,他们把铟和锡的氧化物做成的电极放置在钴离子和磷酸钾的水溶液中,然后在溶液中通入太阳能电池的电流。这种相对便宜的催化剂,可以在温和的条件下实现水解反应,产生氢气。

应用这项技术制作的一个5米宽6米长的光伏阵列(photovoltaic array),能够在4小时内分解足够的水,产生30多度电, “足够美国一般家庭”一天的所需。

Daniel Nocera和Matthew Kanan的方法还有一个显著的优势,就是可以使用污水和海水。也就是说这项技术还可以被用来解决污水处理问题。更为野心勃勃的是,如果用于分解海水;再在燃料电池中运行,在利用和储存能量的同时,还能产生淡水。

不过,这种方法尽管有着诸多优点,仍然是基于太阳能电板的方法,会受到部分太阳能电板缺陷的影响。有没有更加类似植物天然光合作用的研究成果呢?

中科院理化所吴骊珠教授正在做的工作也许可以回答这个问题。2011年1月11日,在于钓鱼台国宾馆举办的第七届欧莱雅“中国青年女科学家奖”颁奖典礼上,吴骊珠介绍她的相关研究成果。她将叶绿体中的氢化酶的活性中心,与超分子体系相结合,模拟出了人工的非蛋白类的氢化酶,在光照条件下,成功实现了产生氢的反应。这种方式完全脱离了水解的思路,更加接近于自然界的光合作用。产生的氢也可以开发出其他的用处,例如用来实现高效的还原反应。

Daniel Nocera 氢燃料时代的快速催化剂

人造树叶:捕捉太阳光子

吴骊珠教授研究主页

2010年欧莱雅“中国青年女科学家奖”官方网站