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陽光 + 水 = 燃料

Sun+Water=Fuel
文:布利斯(Kevin Bullis) 譯:羅耀宗
 

利用麻省理工學院化學家造出的觸媒,
美麗的陽光可以將水化為氫氣。
這個過程如能擴而大之,
也許有一天太陽會成為我們的主力能源。

 
要給各位看的東西,沒給任何人看過,」麻省理工學院(MIT)的化學教授諾伽拉(Daniel Nocera)於2008年五月,對坐滿大禮堂的科學家和美國政府能源官員這麼說。他請大禮堂管理員把燈光轉暗,然後開始播放影片。「看得到嗎?」他指著浸在水裡的一片材料冒出的氣泡,興奮地問。「氧氣從這塊電極湧出,」然後有點神秘地補充,「這就是未來,我們已經找到那片葉子。」
 

諾伽拉展示的是從水產生氧氣的反應,就像綠色植物行光合作用那樣,所以他稱之為「葉子」。這樣的成就,在能源的辯論上,可能具有深遠的含意。這個反應在他開發出來的觸媒協助之下進行,是將水分解,產生氫氣的第一步,也是最困難的一步。諾伽拉相信,用高效率的方法從水產生氫,將有助於克服太陽能目前無法成為電力主要來源的重要障礙之一:現在還找不到符合成本效益的方法,把太陽能板收集的能源儲存起來,好在晚上或陰天使用。

太陽能有它的獨特潛力,能夠產生大量的乾淨能源,不致造成全球暖化。但是如果缺乏儲存這種能源的便宜方法,太陽能電力就無法大規模取代化石燃料。在諾伽拉設計的情境中,陽光會分解水,產生多種容易儲存的氫燃料,送到內燃發電機燃燒,或者在燃料電池中和氧重新結合。更大的野心,是應用這種反應分解海水:讓氫通過燃料電池,除了產生電力,也造出淡水。

科學家從70年代初期以來,就試著仿效光合作用,儲存來自太陽的能源,尤其想要複製綠色植物分解水的方式。化學家當然已有能力分解水,只是這個過程需要在高溫之下,用到刺鼻的鹼溶液,或者稀有和昂貴的白金等觸媒。諾伽拉設計出一種便宜的觸媒,能在室溫底下,從水產生氧,而且不必用到腐蝕性化學物──就像光合作用般的溫和。另外還有幾種相當有可為的觸媒,包括諾伽拉發展出來的另一種,可用來完成這個過程,並且產生氫氣。

諾伽拉認為,有兩種方法可以利用他的突破性研究。第一種方法是,藉傳統的太陽能板捕捉陽光來產生電力,電力驅動電解器,電解器用他的觸媒分解水。第二種方法是運用比較像葉子結構的系統,將觸媒置於設計來吸收陽光的特殊染料分子旁邊;染料捕捉的能源,將驅動水的分解反應。不管是哪一種方法,太陽能都將轉化成氫燃料,很容易儲存,等到夜晚或者任何需要的時候使用。

諾伽拉大膽宣稱他的研究進展十分重要,但是化學家通常不喜歡在同儕面前做這種事;許多專家果然起而質疑他的系統能否擴大應用,以及經濟性有多好。諾伽拉卻不退縮,「有了這個發現,我徹底改變了現狀,」他告訴全場聽眾,「以前所有的主張都可以丟到窗外。」

 

太陽的黑暗面

陽光是世界上最大的再生能源潛在來源,但那種潛力很容易化為烏有。太陽能板不只晚上不能運作,白天當雲朵飄過頭頂,電力也會忽高忽低。所以今天大部分的太陽能板──不管是電力公司蓋的太陽能電廠,還是住家和企業安裝在屋頂上的──都和電力網格(electrical grid)連接。艷陽高照時,太陽能板以尖峰容量運轉,屋主和企業可以將多餘的電力賣給電力公司;但是到了晚上,或者雲影遮住太陽,他們通常就必須依賴電力網格。

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