“水变油”有了新思路

20世纪90年代初,我国科技界有过一场著名的“水变油”闹剧。始作俑者王洪成是个只有小学文化的混混,声称自己掌握了一门足以改变科学史的技术,其核心理论是:配制出一种配方保密的母液,按照1∶100000的比例加入水中,便形成了所谓“水基燃料”。据称该“燃料”完全可以替代汽油作为汽车燃料,而且其热值比汽油还要高,成本仅为汽油的千分之一,且不产生任何污染物。

稍微具有科学常识的人都知道,水是由氢氧元素形成的简单化合物,而汽油等油类是成分复杂的由碳、氢元素形成的烃类,在我们通常所认识的变化过程中(无论物理变化还是化学变化),是不可能产生新元素的。然而就这么一个手法拙劣的骗局,随着王洪成导演的几场类似于“魔术”的现场表演,居然获得了不少支持。

那么,水究竟能不能变成油呢?当然不能!很多水变油的表演,只不过是在水中加入了一些热值很高的高端油类,加入内燃机中时,由于油的密度比水小,所以短时间内燃烧油类推动机器是完全可以实现的。

其实,一直以来,很多科学家都曾有过这样美妙的设想:能否把水中丰富的氢元素利用起来,这将是取之不尽用之不竭的能源,而且是真正的绿色能源。然而在技术层面上,却有着几乎不可逾越的障碍,首先从能量守恒的观点上,分解水获得的氢能最多与分解过程中消耗的能量持平,所以无论是高温分解,还是电解,都没有实际意义。有人寄希望于找到合适的还原剂,能从水(或者酸)中置换出氢。最合适的还原剂当然就是活泼金属了,但是能够直接从水中置换出氢的金属大多需要电解冶炼,成本高昂,所以用金属置换氢理论可行、实验研究也完全可以实现,却没有实际的工业利用价值。

一切似乎陷入了僵局,然而科学家们另辟蹊径,从利用太阳能的角度提出了光解水的现实途径,从而实现了另一种意义的“水变油”。

从化学热力学的角度,水作为化合物非常稳定,但水作为一种电解质又是可以电解的。在电解池中,把水电解为氢和氧完全可以实现(还可加入一些不参加反应的电解质比如硫酸钠以增强水的导电性)。所以最简单的思路,先把太阳能转化为电能,再利用产生的电能来电解水。科学家们模拟了一种“光电化学池”,通过光阳极吸收太阳能并将光能转化为电能。光阳极通常是光半导体材料,在光激发条件下产生一种“电子空穴对”,所以光阳极就形成了对极,也就是阴极,则光阳极、水、和对极就组成了光电化学池。在电解质存在下光阳极吸收太阳光,在半导体导带上产生的电子经外电路流向对极,而水电离出的氢离子在对极上接受电子生成氢气。光电化学池的结构非常复杂、材料相当昂贵,所以目前只局限在实验室中,还难以在工业层面上得到大规模推广。

绿色植物的光合作用实际上也是一个对水进行分解的过程。叶绿素吸收了太阳光,将光能转化为电能,借助于电子的转移将水分解,只不过产生的氢并未析出,而是和其他元素合成了营养物质以储存能量。科学家们开始进行人工模拟光合作用分解水,这种过程称为光助络合催化,用一种称为镁叶琳的光敏络合物来传递电子,吸收波长为680纳米的可见光诱发电荷分离,使水分解释放氧,由于缺乏和氢结合的物质,因此氢气也能够以单质形式析出。光助络合催化是化学仿生学上的重要突破,且有美好的应用前景,比某些科学家近乎疯狂的设想——在人体内植入叶绿素,让皮肤发生光合作用,从而人就可以不用进食而生存——显然要具备更强的伦理意义和可操作性。

有些科学家进一步提出,可以把TiO2或CdS等光半导体微粒直接悬浮在水中进行光解反应,这样虽然局部产生氢气的量非常微小,但集腋成裘,如果扩大规模,产量也将非常可观。然而类似的尝试目前都尚未达到大规模量化生产的层次。不过在可以预见的将来,氢能必将走进寻常百姓家,代替目前日渐枯竭的化石燃料,成为我们生活中最为常见的能源形式。所以,一些持乐观态度的科学家认为:能源危机根本不是什么问题——一种旧的东西消亡了,必然会有新生事物来代替它,这才符合事物发展的客观规律。正如哲人所说:上帝给你关闭一扇门,必然同时给你开启一扇窗。

编辑/梁宇清

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