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[信息] 以氢代碳让天空更明淨.如何自然从水中取出氢气

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发表于 2008-12-1 12:03:09 | 显示全部楼层

以氢代碳让天空更明淨.如何自然从水中取出氢气

绿色能源让天空更明淨 如何从水中提取氢气

我们人类目前消耗的绝大部分能量,包括石油、煤炭、木材和天然气都是首先来自于植物以生物量的形式固定下来的太阳能。植物通过吸收太阳光子,利用光能来生产生物物质,这就是维持地球绝大多数生命的伟大光合作用。在生物系统中,光合作用是一套非常复杂的程序,但是执行得非常的纯熟有效。所以,人类今天才有大量的木材、煤炭可供燃烧,大量的石油天然气可供驱动马达。但是,植物的光合作用是以还原碳元素的形式把太阳能固定下来供人类慢慢使用的,燃烧含碳的各种化合物不但产生了大量的温室气体,使我们的地球越来越热,而且产生大量的有毒气体和固体污染物,使自然环境严重恶化。我们能不能不要将太阳能固定在碳元素中得到利用呢?那就是借用植物光合作用的原理,通过光能裂解水分子,直接提取可以燃烧的氢气。这种人造光合作用的方法完全抛弃了植物载体,只利用其光分解机制,直接利用光生产出可燃性的氢气。

在不远的将来,所有汽车都将会悄无声息地滑过闹市的街头;屋顶的太阳能电池板将会变成小型电站;全球由于温室效应变暖的步伐将大大放慢,而那蜘蛛网般的电线将会被深埋地下的氢气输送管道取代。这一切,都是因为人类即将熟练掌握的利用太阳能从水中制取氢气的技术。

如何从水中提取氢气

人工生产氢气,最为众所周知的方法莫过于电解水制氢。但是这种传统的方法并不经济,生产相当于一升汽油热量的氢气,至少需要消耗45度电能,况且人类电能本来已经非常缺乏。生产清洁的氢能源,关键在于能够寻找到一种没有污染耗能少的方法,从含氢最丰富的资源——水中提取出氢分子来。

在过去几十年里,研究人员都在寻找一些独特的催化剂,利用太阳的能量将氢气从水中提取出来。那些催化剂首先吸取太阳中的光子能量,然后利用这些能量加快水分子中氢原子和氧原子的裂解速度,而这两种原子反过来组成水分子的速度仍然很慢,所以最终有氢气和氧气从水中冒出来。这样的催化剂通常都是由一些无机物半导体材料制备而来的,譬如用在计算机晶片里面的硅元素。但是半导体催化剂的工作效率非常低,消耗的能量还是太多,根本不能进入真正的生产和生活领域。

现在,研究者们正在努力寻找一些能够更有效地吸取太阳能量的催化剂,使它们在原子间传送电子的能力更强大、速度更快。现在,这样的催化剂已经找到,不过它已经不是半导体类的无机物了,而是一种超级生物大分子,或者说巨型分子复合体。这种巨型分子复合体主要由两部分构成——分别称为分子的两种亚基,一部分负责从太阳光中吸收光子能量,另一部分负责取得自由电子。

以这种超级分子复合体为核心,可以组成一种利用日光能量将氢原子从水中提取出来的特殊装置。这种廉价高效的方法,可以获得大量的氢气用于驱动汽车、飞机、火车等,也可以用它们与空气中的氧气燃烧后生产清洁的水和能量,当然也可以用来制造燃料电池生产电能。

可以神奇组合的巨型分子

早在数年以前,科学家们就发现,含有金属元素钌的生物大分子对阳光的吸收效率非常高,并能够产生足够的能量将氧化态的氢元素还原成氢气产物。这个具体的化学程序就是:这种含有钌的大分子每次“吃饱”了光子以后,可以产生两个以上的电子,这些电子的能量将水分子裂解开来,就形成了单独的氢分子和氧原子。

最近科学家们创造的这种巨型分子由铑、钌、氯、碳、氮、氢等六种元素组成。这个巨型分子形状像一个长形的魔棒,它的两头是两个含有金属钌的亚基,用来捕捉太阳光子能量,产生自由电子;中心是含有金属铑的亚基,用来将钌亚基传来的能量(自由电子)裂解水分子间的化学键,从而分离出氢气;当然还有一个很重要的部分,那就是在这两个部位之间,有两个把它们联系起来的亚基,进行电子传输。这些亚基拆开以后可以独自完成自己的功能,当和其它的亚基组合起来后又可以完成新的更复杂的工作,这就像一些通用机械零件,通过不同的组装可以形成不同的机器,具有不同的功能,能完成不同的工作。

为了完成对这种神奇大分子的设计、制备以及使这种分子利用光能收集电子进入实用阶段,研究者们花费了整整十年的时间。现在,由于已经充分理解了这种巨型分子各部件的原理,要设计一套从水中抽取氢原子的系统不再是难事了。目前,研究者们仍然在继续调整这个巨型分子的计方桉,使它的生产效率更高,使用程序更稳定。

这套巨型分子系统还可以通过安装具有新的功能的亚基,增加新的功能,从被裂解水分子中取得馀下的部分——氧。除了裂解水以外,科学家们还相信,利用太阳能和这种巨型分子的设计思想,一些经济有效、功能多变的化学反应将出现在日常生活中,让人们能自己制造他们想要的化学产品。
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