氫能源即將代替石油?東京大學發現能100%從水中獲得氫氣的方法

文/M叔

圖侵刪

科技發展當中，有一個普通人平時不太注意的話題，它將直接影響人類文明下一個20年的發展進程。這個話題就是，能代替石油且更環保、更便宜的能源將會是什麼？就目前來看，太陽能、電能、氫能源都是比較有希望代替石油的，但它們各自的運用科技上都存在缺陷。今天我們主要來聊聊氫氣能源，同時分享今年日本東京大學有關氫氣製備的最新科研進展。

氫能源憑什麼成為候選名單的種子選手

假如您現在給您的愛車加一車滿滿油箱的氫氣，而不是汽油，那麼本來你加滿汽油可以開3天，現在可以開15~18天啦。這是因為氫能源是一種能量密度更高的燃料，它燃燒產生的能量是同等重量汽油的3倍，煤炭的4倍。

圖 世界第一輛氫能源動力超跑

看到這裡有人會說「你這算術不及格啊，汽油的3倍能量密度，應該是9天，怎麼會是15~18天呢？」

這裡就要提到氫氣能源的第二個優點。汽油通過燃燒產生能量，使用效率最大一般也就是30%-40%，也就是說甭管是汽車車還是其他機械，通過燃燒驅動的時候，只有30%-40%轉化成動能。而氫氣輕易的能量轉化率能到達驚人的90%，這種超高效率地使用，是通過一種叫做燃料電池的裝置實現的。您別聽它叫電池就以為只能做得很小，這種裝置也能做得很大驅動大型設備。

不僅如此，我覺得氫能源最值得稱讚的優點，是它的燒燒產物只有水，在全球變暖的大背景下，零碳排放的環保特性簡直就是雪中送炭。

人類為了得到氫氣和水死磕的那些事兒

對於普通人來說，提到氫氣，簡直就是最熟悉的陌生人。我們日常呼吸道的空氣中就含有氫氣，說它陌生是因為空氣中的氫氣含量只有200萬分之一。顯然，空氣不是提煉的最佳對象，而大自然取之不盡的水含有豐富的氫元素，想要氫氣的科學家們自然和水較上了勁。

早在1920年，美國就提出了氫經濟的概念以來，科學們為了高效率的得到氫氣想盡了各種方法，比如說比較主流的都有電解水、水煤氣法制氫、活潑金屬置換、光催化法、硫碘循環制氫等等，其他亂七八糟的還有一大堆。

圖 電解水制氫法示意圖

但這些方法最後都不行。就拿常見的電解水制氫法來說，雖然提煉出的氫氣純度能達到99.7%，但生產相當於一升汽油熱量的氫氣，至少需要消耗45度電能，傻子都算得出來，這不划算嘛！其他的方法要麼就是提煉出的氫氣純度不夠，要麼就是提煉的效率太慢太低。

神奇的催化劑和光催化法制氫

今年日本東京大學發布了一項令人震驚的成果，他們使用光催化法配合一種神奇的催化劑，能從水中產生氫氣和氧氣的效率可以達到幾乎100%。

這裡我要先給您說說光催化法制氫，為後面做個鋪墊。

圖 東京大學教授Fujishima A

1972年，日本東京大學Fujishima A和Honda K兩位教授偶然一次實驗中，發現半導體TiO2在一定的光照條件下，能夠催化分解水產生氫氣。這可引起了很多人的重視，因為陽光和水不僅在地球上十分廉價，而且光解水的制氫方式，整個過程非常環保，對環境影響很小。

但這個方法有一個重大缺陷！

在光分解水過程中，催化劑就相當於一個泡在水裡的微型工廠。當光透過水照到這個工廠裡面的時候，在工廠的內部就會產生大量的正負電荷。這些正負電荷會在工廠裡面走動，當它們走到工廠外圍與水接觸的時候，就會把水分解成氫氣和氧氣，您可以把它粗略地理解為電解水的一種升級版。

圖 光催化示意圖

但是這些正負電荷它們淘氣啊，不會乖乖地走到工廠外面和水接觸，而往往它們會先碰到一起自己嗨，然後相互結合，並且發出熱量。這個過程叫做電荷重組，這就導致不能充分分解水裡面的氧和氫，使得這種方法提煉氫氣的效率從來沒有超過10%。

而東京大學的研究人員發現的神奇催化劑，叫做鈦酸鍶的晶體材料，完美地解決了這個缺陷。在光的照射下，正負電荷會聚集在不同方向的晶體表面。換個通俗的說法，就是一種電荷一心一意地往工廠的東門跑，而另一種電荷往南門跑，這樣它們與工廠外面水接觸的概率就大得多，而不會自己提前抱在一起苟且了。

當然，僅僅發現鈦酸鍶晶體的優點，還遠不足以實現這項研究中接近完美的轉化效率。因為晶體內部，往往還存在著一些局部缺陷，導致部分正負電荷會變成傻子，然後迷路。

東京大學的研究人員經過多年努力，通過優化這種催化劑的晶體結構，醫治好了那部分傻子正負電荷。然後在波長350nm和360nm的兩個紫外線波段照射下，把接近96%的光能都轉化成了水分解後氫氣和氧氣中蘊含的能量。

之所以是96%的轉化率，是因為實驗中難免會有一些誤差和損耗，這個96%的效率已經說明這種催化劑的轉化率很可能接近了理論上的最大值，也就是100%了。

但是，您可能也看出來了，這種催化劑距離實際的應用還有一個重要的缺陷，那就是它只在紫外光的範圍內，才有接近完美的催化效率。在波長400nm以上的可見光範圍內，它的轉化效率又迅速下降到了大概10%左右。而地球由於臭氧層的保護，太陽光紫外線的大部分都被擋在外太空了。所以這個催化劑直接投入工業使用還存在一些問題。

即使這種方法也存在瑕疵，但我覺得這已經是氫能源的研發，邁出得很大一步了，它第一次提供了接近完美地光解水反應的有力實驗證據，同時它也證明了這條研發思路的可行性。

也許未來某一天，我們真的能夠實現可見光的光催化制氫，那時候世界會發生怎麼樣的變化呢？

參考資料：

·Nature, 2020, 581 ， 411-414, DOI: 10.1038/s41586-020-2278-9 （東京大學在《自然》雜誌上發表的論文）

·維基百科—氫能源

·百度百科-光解水制氫