谈谈“水变油技术”
水的化学成分是H2O,即水是由氢、氧组成。“油”通常是指在常温下为液体的憎水性物质的总称。由一种或多种液态的碳氢或碳氢氧组成的化合物。根据化学元素守恒定律,单纯依靠只含有H、O元素的水来来制造含有C、H元素的油是不可能的。但如果有C元素的物质参与,如水中溶解的二氧化碳(CO2)等,产生有机化合物则是可能的,这种技术就是我们通常所说的“水变油技术”。
1996年,美国上映了一部名叫《连锁反应》(Chain Reaction)的科幻影片,来自芝加哥大学的一群科学家,搞出了一种全新的能源技术,这种技术能够从水里提取出无穷无尽廉价而又环保的燃料。结果,当负责这个项目的科学家,打算向外发布新闻时,一群蒙面杀手从天而降,炸毁了整个实验室,“水变油”技术灰飞烟灭。
然而13 年后,原本只会在科幻片中出现的“水变油”技术在现实中上演了。他的发明者同样是来自美国高校的一群科学家。宾西法尼亚州立大学材料工程学教授克雷格.格兰姆斯和他的同事们一起在学校的草地内,将水蒸气和二氧化碳通过二氧化钛纳米管(大约135纳米宽,0.1毫米长)催化剂,结果喜出望外地得到想要的结果碳氢化物(油)。
问题是碳氢化物在能量转化过程释放温室气体,导致温室效应。所以全世界都在努力限制碳排放。
氢能,它作为二次能源,具有清洁、高效、安全、可贮存、可运输等诸多优点,已普遍被人们认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源。而水分子含有氢和氧,而地球上大概有138.6亿亿吨水。若能靠太阳光分解水分子产氢,将造福人类千秋万代。
理论上,要使水分解释放出氢气,热力学要求作为光催化材料的半导体材料的导带电位比氢电极电位EH+/H2稍负,而价带电位则应比氧电极电位Eo2/H2O稍正。光解水的原理为:光辐射在半导体上,当辐射的能量大于或相当于半导体的禁带宽度时,半导体内电子受激发从价带跃迁到导带,而空穴则留在价带,使电子和空穴发生分离,然后分别在半导体的不同位置将水还原成氢气或者将水氧化成氧气。
在1972年,由日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报告发现二氧化钛单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象,从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性,从此开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。迄今为止,人们所研究和发现的光催化体系大多仅在紫外光区稳定有效,在可见光区(太阳光)光催化剂不但活性低,而且几乎都存在光腐蚀现象,需使用牺牲剂进行抑制,能量转化效率低,这些阻碍了光解水的实际应用。如果能研制出新型的光催化反应体系,利用太阳光稳定分解水制氢,将造福人类千秋万代。