氢工厂-解决氢燃料供应的梦想

2024-03-13 理论教育版权反馈

【摘要】：4．氢工厂.梦工厂在M r．Earth看来，人造太阳的研制工作尽管已经成就斐然，但距离实际应用仍然遥遥无期。幸运的是，就像Mr. Earth所希望的那样，人们离这一期望已越来越近了。Mr. Earth的要求不高，他有一辆动力强劲的氢能源飞车，因此希望家里安装的人造光合工厂能帮助解决氢燃料的供应问题。在Mr. Earth的服中，这种氢工厂无疑就是梦工厂。

4．氢工厂.梦工厂

在M r．Earth看来，人造太阳的研制工作尽管已经成就斐然，但距离实际应用仍然遥遥无期。而着眼于太阳能利用，并非太阳能“制造”的人造光合作用研究是他所看好的，并且已经率先取得了巨大突破，必将带来一场能源利用上的全新变革。Mr．Earth其实已经领略到这场变革。那种按照晟自然的方式运转的无碳社会无疑是更高级的，也是令他最为向往的。

地球之友公司曾做过一项科学问卷调查，邀请了全世界数千位著名科学家参与，请他们列出自己所知道的最重要的化学反应过程。结果显示，光合作用的被选率达99%，毫无悬念地雄踞榜首。这其实从一个侧面说明了光合作用的重要意义。光合作用是地球生物得以诞生、繁荣和发展的源泉。自地球上出现生物体以来，25亿年过去了，光合作用过程无时无刻不在进行，向地球上所有复杂的生命体提供着能量和“氧分”，使它们得以延续和进化。光合作用的基本过程在植物叶绿体内进行，包括两个基本化学反应过程：叶绿素分子失去电子；水分子在光驱动下发生分解。光合作用的整个过程其实就是叶绿体收集太阳光能，将水和二氧化碳转化为有机物，并释放出氧气和氢气的过程。尽管不难表述和理解，但光合作用运行起来实在是复杂之极，当然也是精妙之极，绝对彰显着大自然的巧夺天工。以至于人们研究了几百年，依然不能将光合作用的反应机制完全研究透彻。例如，根据电化学理论，水分子中的化学键结合得异常牢固，拆开水分子需要极大的能量，这种能量足以摧毁任何生物分子。然而，植物每天都在进行这一过程，却不见对自身产生不良影响。人们只有解开这个谜团，才有可能在实验室中真正模拟光合作用过程。事实上，这种人工模拟光合作用的过程早在多年前就开始了。研究人员一直在尝试复制绿色植物分解水的各种方式。比如利用化学方式，人们已能够完成水的分解反应，但这些化学反应条件非常苛刻，温度与压力条件要求精准，溶液具有腐蚀性很强的碱性，而且催化剂需要用到铂等稀有而昂贵的化合物。这种模式由于实际意义不大而很快就被放弃了。后来，人们改进实验方案，使得反应条件更趋向于自然界中光合作用的真实条件，比如在室温下进行，改进溶液配比，使其没有腐蚀性。经过百折千回般的无数实验，人们最终找到了一种简单易行的方法将水分解成氢气和氧气，这种方法的原理和光合作用差不多。只不过遗憾的是，整个过程的转换效率比较低下，大规模制氢上并不可行。

像太阳蕴藏的能量一样，人类思想本身所蕴藏的能量也是无穷无尽的。在揭开了光合作用的一系列关键过程后，人们便一直尝试摆脱植物载体，在人工环境下光解水分子，产生可以燃烧的氢气，从而解决清洁能源的供应。为此，人们前赴后继、探求不止，这种源动力往往就是基于现实困难而产生的，看起来无往而不胜。其实，单纯从个体的角度来看，人的能量是非常有限的。不过，君子善假于物，古代人善于使用牛马，就像现代人擅长利用煤炭和石油一样。由此，个人的生产能力才可以远远超过他自身的消耗，这就是借力使力所带来的倍增效应。人们仿照植物的光合作用只不过是改变了假借的对象，使得能源利用真正回归自然罢了。其意义不仅在于引发一场太阳能利用上的革命，而且还在于补偿煤炭，石油等大规模利用所带来的环境损耗。(www.chuimin.cn)

人类工业文明不过几百年，煤炭、石油等化石能源就日渐枯竭，气候变暖与生态污染已威胁到人们的生存。这些问题的根源已经众所周知。与之相比，大自然以绿色植物、海藻和蓝细菌等为依托，借助太阳光，利用光合作用，将二氧化碳和水转化成氧气和葡萄糖，完成了精妙无比的能量循环和分配循环，使得整个生物圈历经亿万年的演进而相安无虞。无论从哪一方面讲，自然的方式都比人工的来得高明。植物通过光合作用获取能量，什么时候人类也能像植物那样，用清洁、简便、高效的办法从太阳系获取能量，那就说明人类社会的发展达到了一个新层次。幸运的是，就像Mr. Earth所希望的那样，人们离这一期望已越来越近了。

植物光合作用的微观过程是：在光线照射下，叶绿体吸收光子，并传导给叶绿素，使它释放出高能电子，用于将吸收的二氧化碳还原为糖。叶绿素分子每丢失1个电子，催化系统就会从水分子中抽取1个电子为其朴充。这样，经过4轮电子转移，两个水分子转化为1个氧气分子、4个电子和4个氢离子，然后重新开始新一轮的循环。这一过程在自然界中之所以能顺畅地进行，原因在于叶绿体充当了其中的媒介，及时地补充了缺失的电子。人工过程的困难正在于此，由于缺少有效地电解水的媒介，因此整个过程难以补充新的电子，反应往往不久就中断了。不过这一切都成为过去时了。人们弥补了这种致命的缺陷，依托基因技术的进步，人们制造出了全新的微生物菌种“Dewater”，这种细菌可以在光的参与下高效地分解水，使其成为氧和氢，并且可以在循环过程中补充电子，从而架通了整个反应过程，使其可以持续进行。换句话说，人们可以在阳光和二氧化碳充裕的条件下，自由地进行人造光合作用，在吸收二氧化碳的同时，获取所需要的能量。那些人造光合工厂就是如此。你可以购买一个小型的人造光合设备，安装在家里的屋顶或院落，这样就可以满足一个家庭每天的能源需求。这看起来真是一个激动人心的方案。Mr. Earth的要求不高，他有一辆动力强劲的氢能源飞车，因此希望家里安装的人造光合工厂能帮助解决氢燃料的供应问题。

在Mr. Earth的服中，这种氢工厂无疑就是梦工厂。

氢工厂-解决氢燃料供应的梦想

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