纳米导线专家的探索:让一片“绿叶”制造新能源

摘要

人类是否也能从大自然中摘得一片“绿叶”,为自己制造能源呢?让我们看看科学家们在这条路上的奋斗历程,以及华人学者杨培东的最新成果。

太阳能对于人类来说早已不是新鲜事物,然而依靠光伏电池板产生的电能并不能满足我们的所有需求。植物可以通过光合作用提供自身所需的能量,并产生氧气。然而人类是否也能从大自然中摘得一片“绿叶”,为自己制造能源呢?让我们看看科学家们在这条路上的奋斗历程,以及华人学者杨培东的最新成果。恍然间,梦想仿佛照进了现实。

播撒能量的种子

植物复杂化学过程中的重要一步就是将水拆分为氢和氧,对于人工光合作用来说,这也是核心问题。由水所生成的氢气本身就可以作为能源,当然,如果目标产品是更高能量密度的碳氢燃料,比如甲烷和乙醇,那么这只是第一步。

早在上世纪70年代,日本学者Akira Fujishima和Kenichi Honda就已经在从事这方面工作。在光照条件下,借助二氧化钛和铂电极可以催化分解水。随着1973年石油危机的出现,许多青年学者都投身到了人工光合作用的研究中去。

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人工光合作用简图。顶部薄膜可吸收阳光、二氧化碳和水,同时允许氧气释放;内部薄膜的特定分子可帮助催化反应并生成燃料;底层将燃料转移保存。图片来源加州理工。

氢气的希望

随着油价的下调和一些地区对可再生能源研究经费的削减,第一股人工光合作用热潮也很快褪去。不过,坚持下来的学者还是不负众望的。1998年,美国国家可再生能源实验室John Turner提出了效率为12.4%的水分解系统。进入21世纪,环境保护和气候变化越发得到重视,更多的学者也重新回到了绿色能源的研究行列。

研究的首要目标之一就是寻找新材料以替代昂贵的铂电极。科学家们曾尝试了镍和钼的硫化物,而加州理工的人工光合作用联合中心 (JCAP) 在尝试了几百种催化剂后,发现了一些性能可匹敌铂的材料。其中以钴钼化合物最佳。而水的分解过程也与早先日本科学家的方法有所不同,光照被电力取代。当然,如果电源来自太阳能电池的话,这个过程才算得上清洁。

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而后,人们不断地在这条路上努力,澳大利亚莫纳什大学学者甚至号称制出极限效率接近30%的系统。不过,绿色与高效只是其中一方面,成本问题也同样重要。

如今,工业上主要依靠甲烷的蒸气重组法来制备氢气,这是一种高耗能但低成本的方法。前JCAP负责人Nathan Lewis估计,这种方式制取氢气的成本大约为每公斤2美元,如果将传统太阳能电池供电也包含在内,每公斤大概为5到7美元。相比目前的市场价格,新兴的制氢方法恐怕还难以竞争。

当然,氢气并不是最理想的燃料,因为世界上绝大部分现存的基础设施都是针对更高密度的能耗供应来建造的,比如汽油和天然气。清洁制氢的最直接收益大概就是有助于氨肥的可持续生产。不过,人们可能更倾向于把氢气当作一种辅助性材料。斯坦福大学教授Jens Norskov说:“我觉得氢气可以作为一种提升其他事情的手段。”

绿色燃料

回到那个话题,如果我们以二氧化碳为原料,通过用人工“绿叶”直接制造更高能量密度的燃料,那将是更有效率的。二氧化碳可以直接从发电厂获取,如果这最终能转化为一种运输用燃料或者高价值化学品的话,将是很有意义的。

JCAP现任负责人Harry Atwater指出,甲醇和乙醇应该是不错的选择。目前乙醇已经被用于燃料当中,而用甲醇制取汽油也有很高效的方法。然而,即使是直接生成这些简单的碳氢化合物,相比分解水来讲也要困难许多。

这其中的化学过程要复杂很多。Norskov介绍,分解一个水分子需要四个电子,而制取简单的甲烷 (CH4) 则需要牵扯8个电子,且每个都具有不同的能量,这在创造但单碳分子的时候将非常麻烦

化学家们难以在实验室中完成的事情,树叶则信手拈来:制造复杂的糖,生成其他有机分子。神奇的大自然通过3D酶来协调所有成分,高效有序地实现各种中间反应和电子转移。这些精妙的天然催化剂在能量流转过程中犹如昙花一现,很快被摧毁,又随时被植物细胞重建和替换。相比之下,人造催化剂则需要拥有自我修复的能力,或者具有高强度和耐久性。设计拥有如此能力的催化剂则是一项艰难的挑战。

或许构建人工叶片的最大挑战是创造植物那样精巧的酶。天然蛋白质能够生产出精密的产品,比如纯甲烷。而人工合成的催化剂恐怕很难做到这一点,常常会附带生成很多预期之外的产物。面对种种难题,科学家们该何去何从?

另辟蹊径,让细菌来工作

加州伯克利大学的实验室中摆着一个不起眼的缸子——它正在尝试制造终极绿色燃料。设备里安置着纳米导线电极和细菌群落,其制造清洁能源的公式非常简单:

阳光+ 水+ 二氧化碳 = 甲烷

这就是杨培东魔盒中的内容,他还要凭此制造出乙酸、丁醇等更为复杂的产品。

今年5月刚刚当选美国科学院院士的国际顶尖纳米材料学家杨培东也在从事着“人工光合作用”的研究,然而他选择了另一条道路,与其艰难地寻找巧夺天工的催化剂,不如拿来主义,借大自然之手创造神奇。

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太阳能到化学能的生物无机转化途径, 图片来源PNAS

两年前,杨培东就已经证明了半导体纳米导线概念的正确性。相比之下,这种高比表面积的材料可以吸收更多的光,抓住更多的催化剂

而这次,对于固碳这个难点,他选择用巴氏甲烷八叠球菌 (Methanosarcina barkeri) 来作为“活体催化剂”。实验过程中,阳极一如既往地将水拆解为氧气和氢离子;另一端,氢离子与电子作用生成氢气并溶于水中,不同的是,半导体纳米导线吸收光之后,把电子传给细菌,后者将其与二氧化碳结合产生甲烷。整个过程效率很高:电解水产生的电子有86%都参与了制造甲烷的反应。冒出水的甲烷气泡则被收集保存起来。

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实验装置 a.阳极池 b.阴极池 c.阳极电源 d.参考电极 e.二氧化碳溶液搅拌 f.连接气相色谱仪(GC)取样检测 g.人工气体注入/取样用密封口。图片来源PNAS

这是一个具有可行性的途径,真正做到了直接将太阳能、二氧化碳和水转化为化学能,而且其转化效率与真正的植物不相上下。也许谈商业化还为时尚早,但回首人类对于细菌的种种利用,杨培东提出的新方法很具有进一步探索的价值。用他的话说:

我们的最终目标是把太阳能、水、二氧化碳转化成燃料,我们还要做更大的东西,从一碳做到二、三、四碳。

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杨培东,1971年出生,美籍华裔化学家、材料科学家。2011年汤森路透最优秀百名材料学家首位,2015年获麦克阿瑟奖奖,2016年5月当选美国科学院院士。现为加州大学伯克利分校化学和材料科学双聘教授,美国文理科学院院士。他因对半导体纳米导线和纳米导线光子学研究领域做出的杰出贡献而获奖。麦克阿瑟基金会在对杨培东的获奖评价中说,过去十多年来,从研制出第一个纳米导线激光器到现在设计纳米导线太阳能电池,杨培东领导的团队在纳米导线光子学研究领域做出多个重大突破。

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