大部分科學家將可再生能源的來源鎖定在太陽能身上，太陽能可謂是其它可再生能源如風能，生物能的根本源頭。不過太陽能技術也有自己需要克服的難點，由于太陽能極易轉換為熱能和電能，但是將這兩種能源達到一定能量密度的儲存，并將其應用于交通等應用領域卻非常困難。正是由于這些缺點，人們不得不選擇其它效率較低的方法如生物電池或電等來產生氫。最近一期的《科學》雜志上，便發表了有關這個課題的一篇文章。
文章的作者展示了一種能夠吸收太陽能，并將其直接用于水的分解，得到氧氣和氫氣的設備，不僅如此，這種設備還可以對二氧化碳進行分解，得到一氧化碳和氧氣。難能可貴的是，這種設備不需要使用昂貴的催化劑，而只需要使用鈰作為催化器，眾所周知，鈰在地球上的含量與銅接近，同時鈰催化劑還可以在成千數百次使用的條件下保持催化性能的穩定。 這套設備的結構非常簡單，其大部分結構起到的作用于聚焦鏡相似，它們將陽光直接通過透明的石英玻璃傳輸到反應腔中，而反應腔則采用內反射結構，這樣便能保證對光子的吸收效率。“設備的尺寸能夠保證產生多次內反射，能充分吸收太陽能，吸收比超過了0.94，幾乎快要達到理想的黑體吸收效率的極限。” 太陽能被吸收之后，光子被轉化為熱能，溫度在一分鐘之內可由140攝氏度上升到1250攝氏度，并最終在1400-1600攝氏度的范圍內穩定下來，這樣的溫度等級足以讓需要分解的物質在催化劑的作用下發生化學反應，而催化劑則采用多孔二氧化鈰材料。 在這樣的高溫條件下，催化器中的二氧化鈰材料中會失去兩個氧原子中的一個，接下來再向多孔催化器里吹入惰性氣體，此時對設備的出口端進行測試，可以發現有相當數量的氧氣放出（量最多的一次使用325mg的二氧化鈰按照每小時34毫升的速度生成氧氣）. 接下來，當設備生成的氧氣數量越來越少時，設備的溫度會下降到900攝氏度左右，然后再把需要分解的物質重新吸入反應腔中。如果用于分解的物質是水蒸汽，那么二氧化鈰催化劑還可以將分解出的氧氣用于二氧化鈰的再生。這種方法可以有效而快速地從水蒸汽中分解出氫氣，而催化-分解的過程則通常少于10分鐘。另外也可以將二氧化碳作為待分解物質來生成一氧化碳。 據文章的作者表示，經過首輪數百次的運行使用之后，這套設備的效能會開始變得起伏不定，作者發現導致性能惡化的原因在于作為催化劑的鈰氧化物在經歷多次熱循環之后的分子結構發生了重組。如果能讓催化劑顆粒的尺寸保持在較大的水平，那么設備的穩定性就可以在400個循環內保持不變。 作者使用了一套復雜的方程式來計算設備的效率，這個方程式的輸入條件包含有太陽能的輸入量，惰性氣體的流量，以及為了輸出較純含量的氣體而需要耗費的能量等等。計算的結果令人驚訝。“這種設備在分解二氧化碳時，其太陽能轉換燃料（solar-to-fuel energy conversion）的效率比目前的光化學催化法要高出兩個數量級。而分解出氫的效率以重量計算可比其它太陽能熱制程的效率高出一個數量級。” 當然這套系統也存在其缺點。比如需要保證惰性氣體的穩定供應，同時對待分解物的水和二氧化碳的純度要求也比較高，以防止分解物生成的雜質附著在多孔催化劑材料的表面，而純水的取得則通常需要耗費較多的能量。另外，這套系統會生成大量廢熱，而這些廢熱本該加以充分利用（目前導致這套系統效率降低的主要因素便是熱損失）。 這套系統可用于生成一氧化碳和氫這兩種物質的能力非常引人注目。文章的作者甚至還使用這套設備造出了甲醇，甲醇是一種可以大量儲存并運送的物質，同時還是燃料電池的重要原料之一。不僅如此，一氧化碳和氫混合在一起經過處理后還可以生成更復雜的碳氫化合物。最后，一氧化碳和氫還可以用于碳固定系統（農業用途）。 這項研究介紹了一種經過特別設計的硬件設備，這種設備易于大量制造，還可以用作工業用途，希望其研究成果能被盡早投入實用。 CNBeta編譯 |
