如何提取氫氣

【專家解說(shuō)】：人工生產(chǎn)氫氣，最為眾所周知的方法莫過(guò)于電解水制氫。但是這種傳統(tǒng)的方法并不經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)相當(dāng)于一升汽油熱量的氫氣，至少需要消耗45度電能，況且人類電能本來(lái)已經(jīng)非常缺乏。生產(chǎn)清潔的氫能源，關(guān)鍵在于能夠?qū)ふ业揭环N沒(méi)有污染耗能少的方法，從含氫最豐富的資源--水中提取出氫分子來(lái)。 在過(guò)去幾十年里，研究人員都在尋找一些獨(dú)特的催化劑，利用太陽(yáng)的能量將氫氣從水中提取出來(lái)。那些催化劑首先吸取太陽(yáng)中的光子能量，然后利用這些能量加快水分子中氫原子和氧原子的裂解速度，而這兩種原子反過(guò)來(lái)組成水分子的速度仍然很慢，所以最終有氫氣和氧氣從水中冒出來(lái)。這樣的催化劑通常都是由一些無(wú)機(jī)物半導(dǎo)體材料制備而來(lái)的，譬如用在計(jì)算機(jī)芯片里面的硅元素。但是半導(dǎo)體催化劑的工作效率非常低，消耗的能量還是太多，根本不能進(jìn)入真正的生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。 現(xiàn)在，研究者們正在努力尋找一些能夠更有效地吸取太陽(yáng)能量的催化劑，使它們?cè)谠娱g傳送電子的能力更強(qiáng)大、速度更快?，F(xiàn)在，這樣的催化劑已經(jīng)找到，不過(guò)它已經(jīng)不是半導(dǎo)體類的無(wú)機(jī)物了，而是一種超級(jí)生物大分子，或者說(shuō)巨型分子復(fù)合體。這種巨型分子復(fù)合體主要由兩部分構(gòu)成--分別稱為分子的兩種亞基，一部分負(fù)責(zé)從太陽(yáng)光中吸收光子能量，另一部分負(fù)責(zé)獲取自由電子。 以這種超級(jí)分子復(fù)合體為核心，可以組成一種利用日光能量將氫原子從水中提取出來(lái)的特殊裝置。這種廉價(jià)高效的方法，可以獲得大量的氫氣用于驅(qū)動(dòng)汽車、飛機(jī)、火車等，也可以用它們與空氣中的氧氣燃燒后生產(chǎn)清潔的水和能量，當(dāng)然也可以用來(lái)制造燃料電池生產(chǎn)電能。 可以神奇組合的巨型分子 早在數(shù)年以前，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)，含有金屬元素釕的生物大分子對(duì)陽(yáng)光的吸收效率非常高，并能夠產(chǎn)生足夠的能量將氧化態(tài)的氫元素還原成氫氣產(chǎn)物。這個(gè)具體的化學(xué)過(guò)程就是:這種含有釕的大分子每次“吃飽”了光子以后，可以產(chǎn)生兩個(gè)以上的電子，這些電子的能量將水分子裂解開來(lái)，就形成了單獨(dú)的氫分子和氧原子。 最近科學(xué)家們創(chuàng)造的這種巨型分子由銠、釕、氯、碳、氮、氫等六種元素組成。這個(gè)巨型分子形狀像一個(gè)長(zhǎng)形的魔棒，它的兩頭是兩個(gè)含有金屬釕的亞基，用來(lái)捕捉太陽(yáng)光子能量，產(chǎn)生自由電子;中心是含有金屬銠的亞基，用來(lái)將釕亞基傳來(lái)的能量(自由電子)裂解水分子間的化學(xué)鍵，從而分離出氫氣;當(dāng)然還有一個(gè)很重要的部分，那就是在這兩個(gè)部位之間，有兩個(gè)把它們聯(lián)系起來(lái)的亞基，進(jìn)行電子傳輸。這些亞基拆開以后可以獨(dú)自完成自己的功能，當(dāng)和其它的亞基組合起來(lái)后又可以完成新的更復(fù)雜的任務(wù)，這就像一些通用機(jī)械零件，通過(guò)不同的組裝可以形成不同的機(jī)器，具有不同的功能，能完成不同的任務(wù)。 為了完成對(duì)這種神奇大分子的設(shè)計(jì)、制備以及使這種分子利用光能收集電子進(jìn)入實(shí)用階段，研究者們花費(fèi)了整整十年的時(shí)間?，F(xiàn)在，由于已經(jīng)充分理解了這種巨型分子各部件的原理，要設(shè)計(jì)一套從水中抽取氫原子的系統(tǒng)不再是難事了。目前，研究者們?nèi)匀辉诶^續(xù)調(diào)整這個(gè)巨型分子的計(jì)方案，使它的生產(chǎn)效率更高，使用過(guò)程更穩(wěn)定。 這套巨型分子系統(tǒng)還可以通過(guò)安裝具有新的功能的亞基，增加新的功能，從被裂解水分子中獲取余下的部分--氧。除了裂解水以外，科學(xué)家們還相信，利用太陽(yáng)能和這種巨型分子的設(shè)計(jì)思想，一些經(jīng)濟(jì)有效、功能多變的化學(xué)反應(yīng)將出現(xiàn)在日常生活中，讓人們能自己制造他們想要的化學(xué)產(chǎn)品。