氢能源即将代替石油？东京大学发现能100%从水中获得氢气的新方法

来源：爱科学的M叔

科技发展当中，有一个普通人平时不太注意的话题，它将直接影响人类文明下一个20年的发展进程。这个话题就是，能代替石油且更环保、更便宜的能源将会是什么？就目前来看，太阳能、电能、氢能源都是比较有希望代替石油的，但它们各自的运用科技上都存在缺陷。今天我们主要来聊聊氢气能源，同时分享今年日本东京大学有关氢气制备的最新科研进展。

氢能源凭什么成为候选名单的种子选手

假如您现在给您的爱车加一车满满油箱的氢气，而不是汽油，那么本来你加满汽油可以开3天，现在可以开15~18天啦。这是因为氢能源是一种能量密度更高的燃料，它燃烧产生的能量是同等重量汽油的3倍，煤炭的4倍。

看到这里有人会说“你这算术不及格啊，汽油的3倍能量密度，应该是9天，怎么会是15~18天呢？”

这里就要提到氢气能源的第二个优点。汽油通过燃烧产生能量，使用效率最大一般也就是30%-40%，也就是说甭管是汽车车还是其他机械，通过燃烧驱动的时候，只有30%-40%转化成动能。而氢气轻易的能量转化率能到达惊人的90%，这种超高效率地使用，是通过一种叫做燃料电池的装置实现的。您别听它叫电池就以为只能做得很小，这种装置也能做得很大驱动大型设备。

不仅如此，我觉得氢能源最值得称赞的优点，是它的烧烧产物只有水，在全球变暖的大背景下，零碳排放的环保特性简直就是雪中送炭。

人类为了得到氢气和水死磕的那些事儿

对于普通人来说，提到氢气，简直就是最熟悉的陌生人。我们日常呼吸道的空气中就含有氢气，说它陌生是因为空气中的氢气含量只有200万分之一。显然，空气不是提炼的最佳对象，而大自然取之不尽的水含有丰富的氢元素，想要氢气的科学家们自然和水较上了劲。

早在1920年，美国就提出了氢经济的概念以来，科学们为了高效率的得到氢气想尽了各种方法，比如说比较主流的都有电解水、水煤气法制氢、活泼金属置换、光催化法、硫碘循环制氢等等，其他乱七八糟的还有一大堆。

图 电解水制氢法示意图

但这些方法最后都不行。就拿常见的电解水制氢法来说，虽然提炼出的氢气纯度能达到99.7%，但生产相当于一升汽油热量的氢气，至少需要消耗45度电能，傻子都算得出来，这不划算嘛！其他的方法要么就是提炼出的氢气纯度不够，要么就是提炼的效率太慢太低。

神奇的催化剂和光催化法制氢

今年日本东京大学发布了一项令人震惊的成果，他们使用光催化法配合一种神奇的催化剂，能从水中产生氢气和氧气的效率可以达到几乎100%。

这里我要先给您说说光催化法制氢，为后面做个铺垫。

1972年，日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授偶然一次实验中，发现半导体TiO2在一定的光照条件下，能够催化分解水产生氢气。这可引起了很多人的重视，因为阳光和水不仅在地球上十分廉价，而且光解水的制氢方式，整个过程非常环保，对环境影响很小。

但这个方法有一个重大缺陷！

在光分解水过程中，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，您可以把它粗略地理解为电解水的一种升级版。

但是这些正负电荷它们淘气啊，不会乖乖地走到工厂外面和水接触，而往往它们会先碰到一起自己嗨，然后相互结合，并且发出热量。这个过程叫做电荷重组，这就导致不能充分分解水里面的氧和氢，使得这种方法提炼氢气的效率从来没有超过10%。

而东京大学的研究人员发现的神奇催化剂，叫做钛酸锶的晶体材料，完美地解决了这个缺陷。在光的照射下，正负电荷会聚集在不同方向的晶体表面。换个通俗的说法，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，而不会自己提前抱在一起苟且了。

当然，仅仅发现钛酸锶晶体的优点，还远不足以实现这项研究中接近完美的转化效率。因为晶体内部，往往还存在着一些局部缺陷，导致部分正负电荷会变成傻子，然后迷路。

东京大学的研究人员经过多年努力，通过优化这种催化剂的晶体结构，医治好了那部分傻子正负电荷。然后在波长350nm和360nm的两个紫外线波段照射下，把接近96%的光能都转化成了水分解后氢气和氧气中蕴含的能量。

之所以是96%的转化率，是因为实验中难免会有一些误差和损耗，这个96%的效率已经说明这种催化剂的转化率很可能接近了理论上的最大值，也就是100%了。

但是，您可能也看出来了，这种催化剂距离实际的应用还有一个重要的缺陷，那就是它只在紫外光的范围内，才有接近完美的催化效率。在波长400nm以上的可见光范围内，它的转化效率又迅速下降到了大概10%左右。而地球由于臭氧层的保护，太阳光紫外线的大部分都被挡在外太空了。所以这个催化剂直接投入工业使用还存在一些问题。

即使这种方法也存在瑕疵，但我觉得这已经是氢能源的研发，迈出得很大一步了，它第一次提供了接近完美地光解水反应的有力实验证据，同时它也证明了这条研发思路的可行性。

也许未来某一天，我们真的能够实现可见光的光催化制氢，那时候世界会发生怎么样的变化呢？

参考资料：

·Nature, 2020, 581 ， 411-414, DOI: 10.1038/s41586-020-2278-9 （东京大学在《自然》杂志上发表的论文）

·维基百科—氢能源

·百度百科-光解水制氢

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