科学家研制出可利用太阳能生成氢气的高效率简易设备

    大部分科学家将可再生能源的来源锁定在太阳能身上，太阳能可谓是其它可再生能源如风能，生物能的根本源头。不过太阳能技术也有自己需要克服的难点，由于太阳能极易转换为热能和电能，但是将这两种能源达到一定能量密度的储存，并将其应用于交通等应用领域却非常困难。正是由于这些缺点，人们不得不选择其它效率较低的方法如生物电池或电等来产生氢。最近一期的《科学》杂志上，便发表了有关这个课题的一篇文章。

    文章的作者展示了一种能够吸收太阳能，并将其直接用于水的分解，得到氧气和氢气的设备，不仅如此，这种设备还可以对二氧化碳进行分解，得到一氧化碳和氧气。难能可贵的是，这种设备不需要使用昂贵的催化剂，而只需要使用铈作为催化器，众所周知，铈在地球上的含量与铜接近，同时铈催化剂还可以在成千数百次使用的条件下保持催化性能的稳定。

    这套设备的结构非常简单，其大部分结构起到的作用于聚焦镜相似，它们将阳光直接通过透明的石英玻璃传输到反应腔中，而反应腔则采用内反射结构，这样便能保证对光子的吸收效率。“设备的尺寸能够保证产生多次内反射，能充分吸收太阳能，吸收比超过了0.94，几乎快要达到理想的黑体吸收效率的极限。”

    太阳能被吸收之后，光子被转化为热能，温度在一分钟之内可由140摄氏度上升到1250摄氏度，并最终在1400-1600摄氏度的范围内稳定下来，这样的温度等级足以让需要分解的物质在催化剂的作用下发生化学反应，而催化剂则采用多孔二氧化铈材料。

    在这样的高温条件下，催化器中的二氧化铈材料中会失去两个氧原子中的一个，接下来再向多孔催化器里吹入惰性气体，此时对设备的出口端进行测试，可以发现有相当数量的氧气放出（量最多的一次使用325mg的二氧化铈按照每小时34毫升的速度生成氧气）.

    接下来，当设备生成的氧气数量越来越少时，设备的温度会下降到900摄氏度左右，然后再把需要分解的物质重新吸入反应腔中。如果用于分解的物质是水蒸汽，那么二氧化铈催化剂还可以将分解出的氧气用于二氧化铈的再生。这种方法可以有效而快速地从水蒸汽中分解出氢气，而催化-分解的过程则通常少于10分钟。另外也可以将二氧化碳作为待分解物质来生成一氧化碳。

    据文章的作者表示，经过首轮数百次的运行使用之后，这套设备的效能会开始变得起伏不定，作者发现导致性能恶化的原因在于作为催化剂的铈氧化物在经历多次热循环之后的分子结构发生了重组。如果能让催化剂颗粒的尺寸保持在较大的水平，那么设备的稳定性就可以在400个循环内保持不变。

    作者使用了一套复杂的方程式来计算设备的效率，这个方程式的输入条件包含有太阳能的输入量，惰性气体的流量，以及为了输出较纯含量的气体而需要耗费的能量等等。计算的结果令人惊讶。“这种设备在分解二氧化碳时，其太阳能转换燃料（solar-to-fuel energy conversion）的效率比目前的光化学催化法要高出两个数量级。而分解出氢的效率以重量计算可比其它太阳能热制程的效率高出一个数量级。”

    当然这套系统也存在其缺点。比如需要保证惰性气体的稳定供应，同时对待分解物的水和二氧化碳的纯度要求也比较高，以防止分解物生成的杂质附着在多孔催化剂材料的表面，而纯水的取得则通常需要耗费较多的能量。另外，这套系统会生成大量废热，而这些废热本该加以充分利用（目前导致这套系统效率降低的主要因素便是热损失）。

    这套系统可用于生成一氧化碳和氢这两种物质的能力非常引人注目。文章的作者甚至还使用这套设备造出了甲醇，甲醇是一种可以大量储存并运送的物质，同时还是燃料电池的重要原料之一。不仅如此，一氧化碳和氢混合在一起经过处理后还可以生成更复杂的碳氢化合物。最后，一氧化碳和氢还可以用于碳固定系统（农业用途）。

    这项研究介绍了一种经过特别设计的硬件设备，这种设备易于大量制造，还可以用作工业用途，希望其研究成果能被尽早投入实用。