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晒太阳,水里晒出氢能源

来源: 科技日报  作者: 张晔   2015-02-06 10:48  编辑: 张发旭(实习)


  晒太阳,水里晒出氢能源

  ——神奇的光催化技术开启终极清洁能源的星光大道

  行进中国·科技奖励篇

  实习生 张彦会 本报记者 张晔

  “我相信总有一天可以用水来作燃料,组成水的氢和氧可以单独地或合在一起来使用,这将为热和光提供无限的来源,所供给光和热的强度是煤炭所无法达到的,水将是未来的煤炭。”1870年,吉尔斯·费恩在科幻小说《神秘岛》中写下了这段看似“梦呓”般的预言,但他终究没能等来圆梦的一天。

  一百多年后,这个由欧美学者提出、日本学者突破的科学研究,却在中国学者的努力下率先跃出实验室,化身为有可能商业化利用的“终极”新能源。

  1月9日,南京大学邹志刚教授、武汉理工大学余家国教授双双手捧证书站在北京人民大会堂,在此次国家科技奖励大会上,光催化材料领域一举夺得两项自然科学二等奖。令人惊讶的是,他们竟来自同一个973项目团队。其中,邹志刚等完成的《可见光响应光催化材料及在能源与环境中的应用基础研究》,是利用太阳可见光将水分解为氢和氧,转化效率高达6%,为国际翘楚。

  “氢有绿色燃料之称,它取自于水,燃烧之后又回归于水;它的燃值是汽油的3倍,火箭、高速赛车都把氢作为提升动力的最佳燃料。”邹志刚谈起氢能源十分兴奋,“把氢作为人类的终极能源,这是一项梦一样的技术!”

  但是,目前获得氢的最简单途径是电解法,即利用电将水分解为氢和氧,既不环保也不节能。怎样用清洁的方法得到氢,成为全球科学家的一个梦。

  1972年,日本东京大学的两位科学家发现,在紫外光照射下,二氧化钛单晶电极能使水在常温常压下发生分解反应,产生氢气和氧气。彼时,正值中东石油危机爆发,这一发现无疑给那些正陷入能源危机恐慌的人们注入了一针“强心剂”。从此,“光分解水制氢”不仅成为科学研究的热点,也深深地嵌入了全人类的新能源逐梦计划。

  而后的三十多年,尽管各国科学家做出了不懈的尝试和努力,但仅占太阳光5%的紫外光,让光分解水制氢的转化率低得可怜。若想进一步提高转化效率并有实际商用价值,只能向可见光方向突围。

  2001年,邹志刚与合作者在这一领域书写了一个大大的惊叹号:他们把在氧化物超导材料领域所获得的结晶物理学材料设计手法、经验、知识等应用于光催化领域,首次在世界上成功地开发出可见光响应型水全分解光催化剂,并发表在《自然》杂志;同一天,世界另一著名科学杂志《科学》,也以《水+太阳+新催化=新能源》为标题配发评论,称“这是一个突破,虽然还有很多的工作要做,但是这一研究成果必将影响未来研究的整个过程”。

  至此,费恩的科幻小说中,被人们称之为“梦一样的技术”开始照进现实。

  光催化技术不仅在能源领域有巨大的应用前景,在环保方面也大有用武之地。目前,这一技术在福州大学付贤智院士的带领下已在我国多地的废水处理及空气净化中得到成功应用,他们也是同一个973团队的成员。

  在973项目的支持下,我国的光催化技术取得长足进展,前景愈加可期:该团队在国际上率先开展了人工模拟植物光合作用研究,他们以水和二氧化碳为原料,成功将二氧化碳转化成碳氢燃料——甲烷等。不仅创造了一个清洁的碳循环路径,也引来国外同行的跟踪研究。

  此外,该团队还在国际上率先开展光催化分解海水研究,他们利用无限的太阳光和无尽的海水制得氢能,进而反应产生淡水,这对解决世界范围内的淡水危机也将是一大福音。

  国家自然科学二等奖的取得给了这个973项目团队更大的动力,也推动光催化技术在原有研究的基础上派生出新的研究方向。

  “预计到第二期973项目结题时,我们的光催化水解制氢转化率将达到8%,接近美国能源部制定的10%商业化利用目标,中国人有望率先实现人类百年前的梦想。”邹志刚说,“但氢能源生产出来之后怎么办?为此,我们下一步也将进行燃料电池等方面技术的应用开发,最终达到低成本、高效率且环境友好地产生和利用氢能源。”


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