大部分科學家將可再生能源的來源鎖定在太陽能身上，太陽能可謂是其它可再生能源如風能，生物能的根本源頭。不過太陽能技術(shù)也有自己需要克服的難點，由于太陽能極易轉(zhuǎn)換為熱能和電能，但是將這兩種能源達到一定能量密度的儲存，并將其應(yīng)用于交通等應(yīng)用領(lǐng)域卻非常困難。正是由于這些缺點，人們不得不選擇其它效率較低的方法如生物電池或電等來產(chǎn)生氫。最近一期的《科學》雜志上，便發(fā)表了有關(guān)這個課題的一篇文章。
文章的作者展示了一種能夠吸收太陽能，并將其直接用于水的分解，得到氧氣和氫氣的設(shè)備，不僅如此，這種設(shè)備還可以對二氧化碳進行分解，得到一氧化碳和氧氣。難能可貴的是，這種設(shè)備不需要使用昂貴的催化劑，而只需要使用鈰作為催化器，眾所周知，鈰在地球上的含量與銅接近，同時鈰催化劑還可以在成千數(shù)百次使用的條件下保持催化性能的穩(wěn)定。 這套設(shè)備的結(jié)構(gòu)非常簡單，其大部分結(jié)構(gòu)起到的作用于聚焦鏡相似，它們將陽光直接通過透明的石英玻璃傳輸?shù)椒磻?yīng)腔中，而反應(yīng)腔則采用內(nèi)反射結(jié)構(gòu)，這樣便能保證對光子的吸收效率。“設(shè)備的尺寸能夠保證產(chǎn)生多次內(nèi)反射，能充分吸收太陽能，吸收比超過了0.94，幾乎快要達到理想的黑體吸收效率的極限。” 太陽能被吸收之后，光子被轉(zhuǎn)化為熱能，溫度在一分鐘之內(nèi)可由140攝氏度上升到1250攝氏度，并最終在1400-1600攝氏度的范圍內(nèi)穩(wěn)定下來，這樣的溫度等級足以讓需要分解的物質(zhì)在催化劑的作用下發(fā)生化學反應(yīng)，而催化劑則采用多孔二氧化鈰材料。 在這樣的高溫條件下，催化器中的二氧化鈰材料中會失去兩個氧原子中的一個，接下來再向多孔催化器里吹入惰性氣體，此時對設(shè)備的出口端進行測試，可以發(fā)現(xiàn)有相當數(shù)量的氧氣放出（量最多的一次使用325mg的二氧化鈰按照每小時34毫升的速度生成氧氣）. 接下來，當設(shè)備生成的氧氣數(shù)量越來越少時，設(shè)備的溫度會下降到900攝氏度左右，然后再把需要分解的物質(zhì)重新吸入反應(yīng)腔中。如果用于分解的物質(zhì)是水蒸汽，那么二氧化鈰催化劑還可以將分解出的氧氣用于二氧化鈰的再生。這種方法可以有效而快速地從水蒸汽中分解出氫氣，而催化-分解的過程則通常少于10分鐘。另外也可以將二氧化碳作為待分解物質(zhì)來生成一氧化碳。 據(jù)文章的作者表示，經(jīng)過首輪數(shù)百次的運行使用之后，這套設(shè)備的效能會開始變得起伏不定，作者發(fā)現(xiàn)導致性能惡化的原因在于作為催化劑的鈰氧化物在經(jīng)歷多次熱循環(huán)之后的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了重組。如果能讓催化劑顆粒的尺寸保持在較大的水平，那么設(shè)備的穩(wěn)定性就可以在400個循環(huán)內(nèi)保持不變。 作者使用了一套復(fù)雜的方程式來計算設(shè)備的效率，這個方程式的輸入條件包含有太陽能的輸入量，惰性氣體的流量，以及為了輸出較純含量的氣體而需要耗費的能量等等。計算的結(jié)果令人驚訝。“這種設(shè)備在分解二氧化碳時，其太陽能轉(zhuǎn)換燃料（solar-to-fuel energy conversion）的效率比目前的光化學催化法要高出兩個數(shù)量級。而分解出氫的效率以重量計算可比其它太陽能熱制程的效率高出一個數(shù)量級。” 當然這套系統(tǒng)也存在其缺點。比如需要保證惰性氣體的穩(wěn)定供應(yīng)，同時對待分解物的水和二氧化碳的純度要求也比較高，以防止分解物生成的雜質(zhì)附著在多孔催化劑材料的表面，而純水的取得則通常需要耗費較多的能量。另外，這套系統(tǒng)會生成大量廢熱，而這些廢熱本該加以充分利用（目前導致這套系統(tǒng)效率降低的主要因素便是熱損失）。 這套系統(tǒng)可用于生成一氧化碳和氫這兩種物質(zhì)的能力非常引人注目。文章的作者甚至還使用這套設(shè)備造出了甲醇，甲醇是一種可以大量儲存并運送的物質(zhì)，同時還是燃料電池的重要原料之一。不僅如此，一氧化碳和氫混合在一起經(jīng)過處理后還可以生成更復(fù)雜的碳氫化合物。最后，一氧化碳和氫還可以用于碳固定系統(tǒng)（農(nóng)業(yè)用途）。 這項研究介紹了一種經(jīng)過特別設(shè)計的硬件設(shè)備，這種設(shè)備易于大量制造，還可以用作工業(yè)用途，希望其研究成果能被盡早投入實用。 CNBeta編譯 |
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