利用鐵銹產(chǎn)氫來(lái)捕捉太陽(yáng)能？
來(lái)源：文匯報(bào) | 0評(píng)論 | 7640查看 | 2014-01-17 17:19:00
利用太陽(yáng)能發(fā)電采暖，是節(jié)能減排、減少霧霾污染的有效途徑之一。然而，困擾太陽(yáng)能發(fā)電最棘手的問(wèn)題之一是黑夜，隨著霧霾天氣的增多，即便是白天的太陽(yáng)能應(yīng)用也受到了挑戰(zhàn)。在這種背景下,一種極普通的物質(zhì)——鐵銹，成了國(guó)際科技界關(guān)注的新寵。只要能讓鐵銹的電子行動(dòng)自如，它就能變成一種神奇的材料，為廉價(jià)地進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電提供有效的途徑。
突破太陽(yáng)能應(yīng)用瓶頸神奇物質(zhì)進(jìn)入研究視野
電極上哪怕生出零星的鐵銹，都會(huì)讓大多數(shù)工程師感到驚慌失措。但是，肯尼思·哈迪和艾倫·巴德這一對(duì)伙伴卻利用這種最廉價(jià)的材料，探尋出了廉價(jià)的太陽(yáng)能發(fā)電方法。他們大致的原理是對(duì)鐵銹進(jìn)行電流誘導(dǎo)，制成電極，只要接觸到微弱的可見(jiàn)光，電極就會(huì)產(chǎn)生功率雖小、但仍可利用的電流來(lái)。
圖：人們希望在夜間也能利用太陽(yáng)能
這段插曲發(fā)生在1975年,其時(shí)正值硅作為新興材料的“佼佼者”脫穎而出的時(shí)期。硅的非凡效率使它成為太陽(yáng)能光伏電池的支柱，從那時(shí)以來(lái)一直在市場(chǎng)上獨(dú)占鰲頭，鐵銹壓根兒就沒(méi)有堪與比肩的電氣性質(zhì)。在德克薩斯大學(xué)取得的小小突破被束之高閣，人們想到鐵銹的唯一場(chǎng)合，是他們發(fā)現(xiàn)有必要予以清除的時(shí)候。
但是，在過(guò)去幾年里，聚光燈重又開(kāi)始投射到這種神奇的物質(zhì)上。雖然在將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Φ男史矫?，二氧化鐵（鐵銹）無(wú)法和硅相提并論，但是它能做一些硅做不到的事，例如幫助太陽(yáng)能的儲(chǔ)存。困擾太陽(yáng)能發(fā)電最棘手的問(wèn)題之一是黑夜，而呈薄片狀的鐵銹也許正能在突破這一瓶頸制約上發(fā)揮作用。
太陽(yáng)能研究差不多一味將注意力投注到效率上。太陽(yáng)每天使地球沐浴在夠我們消耗一年的能量之中，但收獲這份“上蒼恩賜”卻不是一件輕而易舉的事。即使是現(xiàn)有的最先進(jìn)技術(shù)也只會(huì)將46%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電力，而且那還有賴(lài)于規(guī)范化的理想條件，國(guó)際空間站斥資數(shù)十億美元用代價(jià)高昂的稀土元素制成的太陽(yáng)能電池板便是一例。安置在地面上基于硅的、更加廉價(jià)的太陽(yáng)能光電板，其效率充其量也只有15%～20%。
現(xiàn)在迫切需要的是設(shè)法將多余的能源存儲(chǔ)起來(lái)，以便在沒(méi)有陽(yáng)光照耀之際可供使用。在某種程度上正是因?yàn)橹荒茉谏伤查g使用的緣故，這種表面上看似無(wú)窮盡的資源在所有再生能源中所占的份額是微不足道的，而成本卻是化石燃料的20倍。
最顯而易見(jiàn)的解決方案是電池，但由于能源密度偏低，加上整幢建筑的供電系統(tǒng)每過(guò)幾年需要更新的高額成本，使它們只成為少數(shù)富人的選項(xiàng)。一個(gè)穩(wěn)妥得多的太陽(yáng)儲(chǔ)能辦法是用它來(lái)制氫。這個(gè)元素的化學(xué)鍵稱(chēng)得上威力無(wú)比，每公斤的存儲(chǔ)容量是標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池的170倍。此外，氫還是名副其實(shí)的“多面手”，你一旦將它捕獲就可以付諸任何用途。如果融入燃料電池，它就可以和氧重新結(jié)合而按實(shí)際需要發(fā)電；它和一氧化碳結(jié)合后會(huì)變成甲醇生物燃料；存儲(chǔ)得法，甚至還會(huì)像任何其他氣體燃料那樣燃燒。
要將光伏電池的動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅?，最?jiǎn)單的辦法是利用該動(dòng)力來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)電解槽，藉以讓水（H2O）裂變?yōu)闅浜脱?。?jiǎn)單或許是簡(jiǎn)單，但也不見(jiàn)得怎么有效。在標(biāo)準(zhǔn)光伏電池所能捕獲的僅為15%的太陽(yáng)輻射中，另有30%會(huì)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中丟失。等你忙完這一切的時(shí)候，恐怕還是配備可充電的電池來(lái)得劃算。
鐵銹“庫(kù)存量”豐富經(jīng)電解獲取水中動(dòng)力
更加穩(wěn)妥的選項(xiàng)是物色一些廉價(jià)的導(dǎo)電材質(zhì)，它們既能完全繞過(guò)光伏電池，又能簡(jiǎn)單易行地用太陽(yáng)的光子來(lái)電解水和制造氫。
要讓一種材料直接對(duì)水進(jìn)行電解，它必須在受到光子撞擊時(shí)釋放具有合適能量的電子。當(dāng)這些電子受到足夠的激勵(lì)而撤離材料時(shí)，它們會(huì)殘留下稱(chēng)之為洞孔的缺口。為了填補(bǔ)這些洞孔，水分子會(huì)捐出屬于它自身的一個(gè)電子。這樣一來(lái)，電子和洞孔就會(huì)通過(guò)相互配合而使水得以氧化并轉(zhuǎn)變?yōu)闅浜脱酢?/div>
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硅不是適宜干這活兒的工具，它的電子缺乏合適的能量。所有的材質(zhì)需要各自不同、準(zhǔn)確無(wú)誤的能量才有望讓電子掙脫原子的束縛。硅原子只需要1.11eV（電子伏特）即可松開(kāi)一個(gè)電子，但是促成水裂變則要求電子至少達(dá)到1.23eV的能量。
對(duì)于實(shí)際中迫切需要的材料，可以用異質(zhì)化合物來(lái)研制。例如美國(guó)博林格林州立大學(xué)的工程師將硒化鋅和硫化鎘晶體同鉑催化劑相結(jié)合而使合適的電子得以釋放。但復(fù)雜的工藝和稀缺的材料孕育而成的裝置，因商業(yè)化成本過(guò)高而難以應(yīng)用。
于是，研究人員開(kāi)始將目光重新投向鐵銹。二氧化鐵具有高達(dá)2.1eV的能源“命中率”，它還不帶任何毒性，而且非常便宜。更為重要的是，它的“庫(kù)存量”簡(jiǎn)直豐富到無(wú)所不在的地步。
納米技術(shù)操控物理結(jié)構(gòu)成本低廉令硅黯然失色
鐵銹的穩(wěn)定性同樣十分重要。很多材料受到水裂解的腐蝕后會(huì)發(fā)生變形，但二氧化鐵在腐蝕性環(huán)境中能維持長(zhǎng)達(dá)一年，有人認(rèn)為其耐蝕時(shí)間可能會(huì)更長(zhǎng)，因?yàn)檎鐐惗氐蹏?guó)理工學(xué)院的克勞斯·海爾加德所描述的，“它不像是會(huì)生銹變形的樣子?！?/div>
鐵銹不是世界上最擅長(zhǎng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成氫的“高手”，最近的研究成果表明其理論極限值為16.8%。但光憑其來(lái)源豐富這一點(diǎn)就意味著數(shù)量是能彌補(bǔ)質(zhì)量不足的。
不過(guò)，這種“灰姑娘式”的材料依然缺失一只水晶鞋?！八駷橹沟谋憩F(xiàn)不甚理想，”加州理工學(xué)院的納特·劉易斯說(shuō)，“那并不意味著我們無(wú)法讓它有更好的表現(xiàn)?！?/div>
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鐵銹具有適合電解水的物理屬性，但僅憑這一點(diǎn)并不意味著它能獨(dú)力完成使命。所以，過(guò)去十年的鐵銹研究大多是圍繞著水中誘導(dǎo)電子而展開(kāi)的。
需要解決的第一個(gè)問(wèn)題，就是當(dāng)年讓哈迪和巴德陷于兩難困境的同樣障礙。二氧化鐵的導(dǎo)電性不是很好，無(wú)法靠自身力量將足夠的電子往外發(fā)送到更能發(fā)揮作用的邊緣上。它需要得到來(lái)自外界的刺激，一個(gè)辦法就是從所謂的串疊型電池裝置中獲取額外的太陽(yáng)能。1991年，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）洛桑分校的工程師邁克爾·格雷策爾，利用為強(qiáng)化對(duì)光子吸收而用染料經(jīng)過(guò)處理的薄層二氧化鈦研制成染料敏化太陽(yáng)能電池。在沒(méi)有硅的情況下，這是一條生成電流既簡(jiǎn)易又廉價(jià)的捷徑。只要將最終形成的電流反饋給底下的鐵銹層，它們就能推出適合對(duì)水電解的正確電子。
格雷策爾的裝置前所未有地達(dá)到了4%的效率。然而，那需要另外使用2個(gè)串疊型電池。額外能量對(duì)于提升電子形成更高的能級(jí)是必不可少的。要是沒(méi)有這些能量，鐵銹就會(huì)將電子往回抽吸到結(jié)晶陣列中，趁它們尚未變純凈之前重新予以吸收。
唯一的解決辦法就是形成稀薄到足以讓電子逃逸的鐵銹層，其厚度大約為幾十納米。這在1975年甚至稍晚的90年代初期都是不可能辦到的。然而，納米技術(shù)在進(jìn)入21世紀(jì)后取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，不僅使得操控材料的物理結(jié)構(gòu)成為可能，也催生了不少精致得令人稱(chēng)奇的解決方案。
丹尼森大學(xué)的喬丹·卡茨研發(fā)出由幾納米寬的鐵銹桿構(gòu)成的薄涂層。如此窄小的寬度賦予裝置以極大的表面積，同時(shí)也使水得以滲入銹桿間的納米微隙中。這樣可讓電子和洞孔從材料中逃逸，進(jìn)而同四周的水相匯合。但是卡茨表示，他遠(yuǎn)沒(méi)有找到一種效率達(dá)到市場(chǎng)需求的材料。
瑞士理工學(xué)院的研究人員找到了一條切實(shí)可行的途徑。為了協(xié)助電子逃逸，凱文·希弗拉利用“云”沉淀物創(chuàng)造納米銹，其中包括給表面噴灑霧狀的鐵溶液。這種沉淀方法會(huì)促使二氧化鐵生長(zhǎng)成大片的森林，里面盡是呈花椰菜狀的顯微“樹(shù)木”，從而形成了那種允許電子逃走、但還可以大批量生產(chǎn)的分形表面積。
去年，希弗拉小組研制成一個(gè)工作裝置，使用的無(wú)非是玻璃這種談不上昂貴的材料。它的效率達(dá)到3.6%，與卡茨的裝置不相上下，但無(wú)需借助于額外的串疊型電池。希弗拉聲稱(chēng)，不出兩三年的時(shí)間，他就能把效率提高到10%。
但是，他的目標(biāo)可能會(huì)在銹層非常薄時(shí)遇到一個(gè)悖論式問(wèn)題而遭受挫折。選用任何電解材料都會(huì)面臨一個(gè)基本矛盾，那就是要同時(shí)做得盡可能厚和盡可能薄。如果希望電子有任何逃逸的沖勁，恐怕還是以稀薄為好。若要吸收盡可能多的光子，那就需要鐵銹層稍微偏厚一些。20納米的電解層只會(huì)把可吸收的光子總量吸收18%
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