液體太陽能燃料

　　用太陽光和二氧化碳來驅(qū)動汽車

　　液體燃料太陽能燃料

　　太陽每一個小時照射到地球上的能量，就比人類一年消耗的能量還多。如果科學家能夠?qū)⑦^剩太陽能轉(zhuǎn)化為液體燃料，哪怕只是一小部分，就能解決我們對化石燃料的依賴，以及由此帶來的種種問題。“如果能有效、經(jīng)濟地利用太陽能來制造化學燃料，就能徹底改變能源現(xiàn)狀，”美國加州理工學院人工光合作用聯(lián)合研究中心主任內(nèi)森？ 劉易斯（Nathan Lewis）評論說。

　　其中美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）開展的一項嘗試非常吸引人。他們在新墨西哥州的沙漠中安裝了一些直徑6米的圓盤狀鏡面，能將太陽光聚集到安放在盤面前方的一個半米長、形狀像啤酒桶的圓柱形儀器上。太陽光被這些鏡面聚焦后，從儀器表面的一個窗口射入，照射到里面12個以每分鐘一圈的速度旋轉(zhuǎn)的同軸圓環(huán)上。圓環(huán)的邊緣是以齒狀排列的氧化鐵（鐵銹）或氧化鈰，它們依次旋轉(zhuǎn)進光束，并被加熱到1 500℃，如此高的溫度能驅(qū)出鐵銹里的氧。當轉(zhuǎn)到反應(yīng)室較冷的暗處時，它們又能從注入反應(yīng)室里的水蒸氣或二氧化碳中把氧吸回去，剩下富含能量的氫氣和一氧化碳。

　　這樣產(chǎn)生的氫氣—一氧化碳混合氣體被稱為合成氣（syngas），它是化石燃料、化工原料甚至塑料在分子層面的基本原料。燃燒生成的合成氣所釋放的二氧化碳，還能被該過程全部吸收。美國高級研究計劃局能源項目部主任阿倫·麥琴達爾（Arun Majumdar）評論說，這種太陽能燃料系統(tǒng)“可謂一石四鳥”，即帶給我們更清潔的能源供應(yīng)，更高的能源保障，更低的二氧化碳排放和更小的氣候變化影響。

　　在其他地方，例如瑞士聯(lián)邦理工學院（Swiss Federal Institute of Technology）和美國明尼蘇達大學，研究人員也在研發(fā)生產(chǎn)合成氣的設(shè)備。還有一些新興公司同時在尋求其他途徑來達到類似目標，例如位于馬薩諸塞州的Sun Catalytix公司將一種廉價催化劑泡入水中，并利用太陽能電池板產(chǎn)生的電力，來制備氫和氧，新澤西州Liquid Light公司將二氧化碳氣體導入一種電化學反應(yīng)池來產(chǎn)生甲醇。此外，劉易斯本人也正在研制一種“人造樹葉”（參見《環(huán)球科學》2010年第11期《人造樹葉：陽光變?nèi)剂稀罚?，它由一種半導體納米線制成，能利用陽光將水分解成氫和氧。

　　當然，主要困難還是在實際應(yīng)用上。在桑迪亞實驗室，齒狀氧化物總是破裂，阻礙了反應(yīng)進行?！澳阕專ㄑ趸铮┎牧显? 500℃和900℃之間來回轉(zhuǎn)，這對它們的要求很高，”亞利桑那州立大學LightWorks計劃主任、未參與該項研究的化學家加里·德克斯（Gary Dirks）評論說。下一步計劃是，在納米尺度上加固氧化物的結(jié)構(gòu)，或找到更合適的材料；圓盤狀鏡面的高昂造價也需要降低。根據(jù)桑迪亞實驗室研究人員的計劃，他們的合成氣制造機能夠生產(chǎn)出成本為10美元/加侖（約2.65美元/升）的燃料?！拔覀儾⒎亲霾坏竭@一點，但我們還有很長的路要走?！被瘜W工程師詹姆斯？ E ？ 米勒（James E. Miller）說，他也是這項技術(shù)的發(fā)明者之一。

　　電力生產(chǎn)

　　量子光電池

　　熱電子能讓太陽能電池的效率翻番

　　電力生產(chǎn)量子光電池

　　目前市場上的太陽能電池，只能將接收到的陽光能量的10%至15%轉(zhuǎn)化為電能，以致發(fā)電成本居高不下。原因之一是，單層硅吸收陽光的效率，理論上限大約是31%（實驗室中最好的光電池可以達到26%）。而對半導體晶體（或稱為“量子點”）的新研究表明，這一理論上限可以提高到60%以上，這為開發(fā)低成本發(fā)電設(shè)備帶來了希望。

　　在傳統(tǒng)光電池中，硅中的電子被射入的光子擊出而成為自由電子，能夠自由地流入導線，從而產(chǎn)生電流。不幸的是，陽光中許多光子能量太高，當它們擊打到硅上時，會產(chǎn)生一種“熱電子”，它們會以熱的形式迅速損失能量，在被導線捕捉到之前又重新回到初始狀態(tài)。如果能在熱電子冷卻前就捕捉到它們，那么光電池的效率上限就會翻一番。

　　解決方案之一是降低電子的冷卻速度，為捕捉它們贏得更多時間。去年，美國得克薩斯大學奧斯汀分校的化學家朱曉陽（Xiaoyang Zhu，音譯）和同事將注意力投向了一種量子點，每一個點只包含數(shù)千個原子。他們將硒化鉛量子點沉積在一層導電的二氧化鈦（一種普通材料）上。當光線照在上面時，所產(chǎn)生的熱電子損失能量所需的時間要比原先長了1 000倍。美國圣母大學（University of Notre Dame）的普拉山特·卡馬特（Prashant Kamat，未參與此項研究）評論道，朱曉陽的團隊“確實證明了這一設(shè)想是可能實現(xiàn)的”。

　　然而，延緩電子能量損失僅僅是一個方面。目前，朱曉陽的團隊正在尋找能讓導體將盡可能多的熱電子轉(zhuǎn)化為電流的方法，這樣，導體本身才不會將它們以熱量的形式吸收。

　　在最終得到實用的太陽能電池之前，還有許多困難需要克服。朱曉陽說，“我們需要建立一整套物理理論”，包括熱電子究竟如何冷卻，它們怎樣流入導體等等。他說：“一旦解決了所有這些問題，我們就會知道最終應(yīng)該使用什么材料。” 朱曉陽預計，這項工作“需要一些時間，但是我有信心取得成功。我希望看到這些新型太陽能電池板安裝在自家屋頂上” 。該項目的商業(yè)回報將十分可觀。

　　廢熱利用

　　熱力發(fā)電機

　　形狀記憶合金利用廢熱帶來額外能量

　　廢熱利用熱力發(fā)電機

　　在美國，人們消費的能源中，有60%白白浪費掉了，其中大部分以熱的形式從汽車排氣管和發(fā)電廠的煙囪中逃走。通用汽車公司的科學家正試圖利用一種被稱為“形狀記憶合金”（shape-memory alloys）的新型材料，來捕捉這些寶貴的能量。形狀記憶合金能將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，進而產(chǎn)生電力。該研究組組長艾倫·布朗（Alan Browne）的第一個目標是，回收汽車排氣系統(tǒng)中散發(fā)的熱能，驅(qū)動車載空調(diào)或音響系統(tǒng)。

　　布朗計劃使用由數(shù)條平行的鎳—鈦合金薄線組成的合金帶來收集熱能，它能“記住”某種特定形狀。所有形狀記憶合金都能在兩種狀態(tài)之間來回變換：在較高溫度下較堅硬的本態(tài)與較低溫度下更為柔韌的狀態(tài)。在這個設(shè)計中，合金帶繞過呈三角形排列的3個滑輪。其中一角處的合金帶接近熾熱的排氣系統(tǒng)，而另一角則位于溫度較低的遠端。合金帶在高溫處收縮，低溫處伸張，就會讓自己沿這個三角環(huán)路轉(zhuǎn)動并帶動滑輪旋轉(zhuǎn)，進而通過軸承驅(qū)動發(fā)電機。溫差越大，環(huán)路轉(zhuǎn)動越快，產(chǎn)生的能量也就越多。

　　通用汽車公司制造的原型機由一條僅10克重的合金帶來產(chǎn)生兩瓦特功率，可以點亮一盞小燈。布朗聲稱，10年內(nèi)，這種發(fā)電機產(chǎn)生的功率就會提高到商用的標準。他還補充說，為家用電器或發(fā)電廠冷卻塔安裝這種記憶合金熱力發(fā)電機，不存在任何技術(shù)障礙。該項目的合作者、美國HRL實驗室的材料科學家杰夫·麥克奈特（Geoff McKnight）說，這種合金為先前被認為是無法實現(xiàn)的一些應(yīng)用領(lǐng)域開辟了新天地，因為即使溫差只有10℃，它們也可以使用。

　　通用汽車公司的設(shè)計并不復雜，但離實用仍很遙遠。形狀記憶合金容易疲勞，會變得脆而易碎；需要連續(xù)處理3個月才能重新回到“本態(tài)”的形狀記憶；合金線很難組合成帶；如何解決利用空氣來有效加熱和冷卻合金帶也是一個挑戰(zhàn)。布朗沒有具體說明目前如何解決這些問題，而只提到他們不斷調(diào)整合金線的直徑、形狀，以及加熱和冷卻的方式。換句話說，他們正在調(diào)試“科學上的和人能想象得到的”所有參數(shù)。

　　通用汽車公司并不是唯一一家試圖利用廢熱來產(chǎn)生能量的機構(gòu)。美國伊利諾伊大學的桑吉夫·辛哈（Sanjiv Sinha）正在研發(fā)一種可彎曲的固態(tài)材料，它也能將熱力轉(zhuǎn)化為電能。如果熱力發(fā)電機能被安裝在現(xiàn)有或未來的設(shè)備中，它就會有近乎無限的應(yīng)用前景：從數(shù)千座的冷卻塔和工業(yè)鍋爐，到數(shù)以百萬計的家用暖氣、冰箱和煙囪，還有拖拉機、卡車、火車和飛機。全世界會有數(shù)百億億焦耳的能量可以被回收利用，極大降低化石燃料的消耗。