利用水和阳光制造燃料的革命性方法——但尚未完成

日本的科学家展示了一种在不排放温室气体的情况下制造氢燃料的新方法。但要使其具有商业可行性，提高其效率的关键步骤依旧存在。

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展出的丰田汽车的氢燃料箱。（图片来源：Jim West / Alamy Stock Photo）
日本的科学家展示了一种新的概念验证反应器，它可以从阳光和水中提取可再生氢燃料。
这个占地 1,076 平方英尺（100 平方米）的新反应器使用光催化片片将水分子中的氧原子和氢原子分离，从而将氢气吸走用作燃料。
虽然这项技术仍处于起步阶段，但该研究背后的科学家表示，如果能够开发出更高效的光催化剂，它们的突破将使廉价、可持续的氢燃料的生产成为可能，以满足各种能源需求。他们于 12 月 2 日在《科学前沿》（Frontiers in Science）杂志上发表了他们的发现。
“使用光催化剂的阳光驱动分解水是太阳能到化学能转换和储存的理想技术，光催化材料和系统的最新发展为它的实现带来了希望，”资深作者、日本信州大学化学教授 Kazunari Domen在一份声明中说。“然而，依旧存在许多挑战。”
暴露在光线下时，光催化剂会促进化学反应，将水分子分解成其组成部分。然而，大多数现有的“一步法”催化剂（一次性将水分解成氢气和氧气）效率极低，导致大部分氢燃料使用化石燃料天然气进行精炼。
为了寻找打破这一僵局的方法，这项新研究背后的研究人员研究了一种光催化剂，该催化剂使用更复杂的两步过程，一步分离出氧气，下一步去除氢气。
为这一过程创造光催化剂使科学家们能够建造他们的原型反应器，该反应器运行了三年，使用真实的阳光比实验室中使用的紫外线效果更好。
“在我们的系统中，使用紫外线响应光催化剂，在自然阳光下，太阳能转换效率大约高出一倍半，”信州大学研究员、第一作者 Takashi Hisatomi 在声明中说。“模拟的标准太阳光使用来自略高纬度地区的光谱。在自然阳光比模拟参考太阳光具有更多短波长成分的区域，太阳能转换效率可能会更高。
尽管取得了这些可喜的收益，但该反应的效率依旧太低，无法用于商业用途。
“目前，在模拟标准阳光下的效率最多为 1%，在自然阳光下不会达到 5% 的效率，”Hisatomi 说。
为了在提高效率方面取得重要进展，科学家们呼吁其他人创造更好的光催化剂和更大的反应器。安全工作也至关重要：氢燃料精炼还会产生爆炸性副产品氢氧，可以在两步工艺中安全处理。
“要开发的最重要的方面是光催化剂将太阳能转化为化学能的效率，”Domen 说。“如果提高到实用水平，许多研究人员将认真致力于大规模生产技术和气体分离工艺的开发，以及大规模工厂的建设。这也将改变许多人，包括政策制定者，对太阳能转换的看法，并加速与太阳能燃料相关的基础设施、法律和法规的发展。