硬科技进展 之 能源革命---氢能源

在过去的一个月里，我为你梳理出值得关注的硬科技进展：

日本科学家发现效率接近100%的光解水催化剂
让我们来关注一个对未来10-20年至关重要，但你可能在平常不太会注意到的慢变量——那就是当前人类社会正在酝酿的一场能源革命。什么能够取代石油，成为人类下一代更廉价、更环保的能量来源？在某种程度上，这是将会决定未来社会运行逻辑的重要问题。就在5月底，这个领域传来了一项令人眼前一亮的进展。
5月27号，《自然》杂志发表了来自日本东京大学的一项完美到几乎令人惊讶的研究成果。研究人员发现了一种神奇的催化剂，在这种催化剂的作用下，用光来分解水，产生氢气和氧气的效率可以达到几乎100%。
氧气我们这里先不展开讲，这个氢气，可是下一代能源的重要候选人之一。以往类似的让光分解水产生氢气的研究，反应效率通常都在10%以下。这一次直接把效率提高到了理论上的最大值，也就是接近100%，我想这个结果也许东京大学的研究人员自己都感到有些惊讶。
说到这里，可能需要先补充一点背景知识，这个氢能源到底有什么好处，为什么说它具有取代石油的潜力呢？——它的好处可太大了，我为你主要概括成三点。
首先，氢能源是一种能量密度更高的燃料。能量密度越高的燃料，在工业上往往就越划算。石油之所以能在上个世纪取代煤炭成为世界第一能源，重要的原因之一就是因为它的能量密度更大，大概是煤炭的1.5倍。而氢气呢，它燃烧产生的能量是同等重量石油的3倍，煤炭的4倍。作为下一代能源的候选人，在能量密度这个指标上氢能源的潜力是很大的。
氢能源的第二点好处，是使用起来非常灵活，而且效率很高。我们还是对比石油，石油通过燃烧产生能量，使用效率最大一般也就是30%-40%。也就是说不管是火力发电厂还是私家车，当烧汽油的时候，只有30%-40%的能量转化成了我们想要的电能或者动能。但是氢能源的能量转化效率非常高，甚至可以有90%的能量都被转化成电能。这种超高效率的使用，是通过一种叫做燃料电池的装置完成的。而燃料电池用起来就很灵活了，它的体积可大可小，大的可以驱动轮船汽车，小的可以作为手机电池。手机的锂电池如果换成氢燃料电池，没准可以续航半个月。
氢能源的第三点好处就更重要了，那就是氢能源可能是已知最环保的能源之一。它的燃烧产物就是水，真正实现了所谓零碳排放。对于遏制全球变暖来说，是非常好的解决方案。
不过坦率地说，这些优点远不是今天才发现的。早在1920年，美国就提出了氢经济的概念。但是这么多年过去了，氢能源的发展一直比较缓慢，其中重要的原因之一，就是氢的制备一直是个问题。它不像石油、煤炭从地上打口井就能获得，而是需要特殊的化学工艺来制备。如果在氢制备的过程中，转化效率太低，或者产生了大量碳排放，那就有点得不偿失了，甚至还不如直接烧石油来得划算。
这就要说回我们今天关注的突破了。在诸多制备氢能源的工艺里面，被寄予很高期望的是通过光的照射，利用催化剂的中间作用，把水分解成氢气和氧气。因为阳光和水不仅在地球上随处可见，而且光解水的制氢方式，整个过程非常清洁，对环境影响很小。但这种方法，在过去最重要的缺点就是效率太低，通常低于10%。
那为什么以前的反应效率低呢？这其实跟光解水的反应原理有关。
这里面的化学过程比较复杂，我用一个简单的模型来解释一下。在光分解水产生氢气和氧气的过程中，催化剂就相当于一个泡在水里的微型工厂。当光透过水照到这个工厂里面的时候，在工厂的内部就会产生大量的正负电荷。这些正负电荷会在工厂里面走动，当它们走到工厂外围与水接触的时候，就会把水分解成氢气和氧气。
但是这些正负电荷并不会乖乖地走到工厂外面和水接触，而往往它们自己就会先碰到一起，相互结合，并且发出热量。这个过程叫做电荷重组，是以往光解水反应效率低的重要原因。
而这一次东京大学的研究人员，就想办法解决了这个问题。他们发现一种叫做钛酸锶的晶体材料，在光的照射下，正负电荷会聚集在不同方向的晶体表面。打个比方来说就是一种电荷一心一意地往工厂的东门跑，而另一种电荷往南门跑，这样它们与工厂外面水接触的概率就大得多，而不会自己提前相互碰到一起了。