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《科学》:MIT成功模拟光合作用制氢

2020-03-24 作者:生命科学   |   浏览(175)

一瓶普通不过的水再加上阳光与一种特殊的催化剂,人们便能轻松透过这种人工化光合作用把水分解成氧气及氢气,为一屋子提供电能。

美国麻省理工大学的科学家日前在实验室内再现了光合作用的过程,该实验的意义在于光合作用产生的能量能够被人类利用,这种技术将引发一场太阳能使用革命,并补偿煤炭,石油等不可再生资源的损耗。

去年,美国政府正疲于量度最合适的经济刺激方案之际,美国能源高级硏究计划局辖下一家民用性质的机构提出了一个价値四亿美元援助金的有趣议题。这个议题正是早前麻省理工学院化学系敎授丹诺塞拉三月初在首届能源高级硏究计划局会议上介绍的人工化光合作用成果;硏究充分向外界展示了把经济援助资金投放于硏究新的光合作用上的成果保证。

图片 1 诺塞拉正专注地做实验

以游离氢产生能量

图片 2 白天,用通常方法获得的太阳能一部分可用于日常所需要,一部分用来将水分解成氢气和氧气并将氢气储存起来。晚上,氢和氧转化成燃料用来发电。

仅是一种特殊的催化剂再上一瓶水和阳光,这种人工化光合作用便能把水分解成氢和氧,为一户普通家庭提供足够的电力供应。 尤如有机光合作用的原理一样,人工化光合作用不过是透过阳光把二氧化碳和水分解成氧气及氢气。一般情况而言,植物是依靠光合作用并以糖的形式产生能量,不过新式的人工化光合作用过程则以游离氢的形式产生能量。游离氢能在燃料电池中与氧氢结合,从而生成电能;甚至是直接转化成液体燃料。仅约四小时的时间,在特殊催化剂协助下的人工化光合作用便能产生相当于三十度的电能。

8月5日讯 据国外媒体报道,美国麻省理工大学的科学家日前在实验室内再现了光合作用的过程,在整个过程中光合作用将水分解成氢和氧,并产生了可供燃烧的氢气和氧气。该实验的意义在于光合作用产生的能量能够被人类利用,这种技术将引发一场太阳能使用革命,并补偿煤炭,石油等不可再生资源的损耗。这两名科学家名叫诺塞拉(Daniel Nocera)和卡南(Matthew Kanan),他们找到了一种简单实惠的方法将水分解成氢气和氧气,这种方法的原理和光合作用差不多,只是将太阳能转化了可燃烧的氢气和氧气。

由于以人工化光合作用方式产生的电能并不像商业电解槽那样,要为每千瓦的电力耗资一万二千美元,因此新硏究的最大卖点是便宜。正正如此,诺塞拉寄望未来每家每户都能透过这种新光合作用的方式,自行生产及储存所需的燃料及电能。

光合作用广泛存在于自然界,叶绿体收集太阳光能,将水和二氧化碳转化为有机物,并释放出氧气。但这只是最终结果,整个过程一开始是将水和二氧化碳气转化为氧,自由的质子和电子。在光合作用中产生了两个化学反应,叶绿素分子失去两个电子,水分子发生分解。尽管光合作用在各种教科书中都得到了详尽的阐述,但是想人工实现这一过程却绝非易事,主要的问题在于缺少有效地电解水的媒介,在植物中充当这一媒介的是叶绿体。

若诺塞拉的硏究能付诸现实,那么大概一瓶水就能为一户普通家庭提供足够一天的电能。诺塞拉说:若不能以便宜的方式进行,那就没办法改善美国现时的能源状况,亦莫说帮助世界上各个角落的穷人。

众所周知,水能够电解成氢和氧,但整个过程毫无意义。为了提高这一性能,化学家们提供了能促使反应在更低电压情况下进行的催化剂。目前只有钌和铂能充当这种媒介,当然这两种金属都很昂贵,除此之外,反应要进行还需要特定的温度条件和气压。

催化剂协助分解水

诺塞拉和卡南找到了加速水电解的另一个好方法。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,这样相当于叶绿体的触媒就产生了。与此同时,水分解成氧气和自由的氢离子,这些氢离子聚集在电极上,并在那里形成氢气。白天,用通常方法获得的太阳能一部分可用于日常所需要,一部分用来将水分解成氢气和氧气并将氢气储存起来。晚上,氢气和氧气转化为燃料用来发电。

作为太阳催化剂公司的老板,诺塞拉介绍主导人工化光合作用的催化剂时解释,这种主要成份为钴的催化剂主要功能是协助一瓶水自行处理与植物相同的储存能量方式分解水。

自由的氢离子和氧能够转化为燃料要素用来发电。整个过程发生在正常的大气压环境和温度内。媒介中的物质在反应过程中失去了自己的特性,当反应结束时又恢复到原来的样子。这和自然界的叶绿素一样。诺塞拉说:“我们的研究证明,能够使用相对便宜的媒介,并以此为基础在通常条件下得到光合作用的光能”。科学家们已经为此制定了Powering the Planet项目,并开始了进一步的研究工作。伦敦大学帝国理工学院的巴伯(James Barber)认为,实验实内模拟光合作用的过程是利用太阳能历史上的一个巨大创举,这将使氢气生产成为可能,并使太阳能使用步入新的时代。他们的这一研究成果近日已刊登在《科学》杂志上,但是具体的反应细节作者并没有透露。

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