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午夜陽光:讓太陽能24小時不間斷供電

(文/ Naomi Lubick)大多數工程師看到電極上有哪怕一點銹跡都會恐慌,肯尼斯·哈迪(Kenneth Hardee)和艾倫·巴德(Allen Bard)的電極卻完全由鐵銹組成。為了找到廉價的太陽能發電方案,這兩人一直在設法從手頭最便宜的材料里弄出電流來。他們成功了,在可見光的照射下,這種材料里產生了一束微弱但穩定的電流。

這一幕發生在1975年,然而不久后,硅就開始大出風頭。硅的轉化率更高,因而成了光伏太陽能電池的基礎材料,一直居于市場的頂端。在電學性質方面,鐵銹是無法與硅匹敵的。因此,美國得克薩斯大學奧斯丁分校的這項小小突破,轉眼就夭折了。在那之后,大家很少想到鐵銹;就算想到了,也是想著怎么去除掉它。

然而最近幾年,聚光燈又轉回了這種一度被拋棄的物質上。研究者發現,它并非如一般人認為的那樣一錢不值,反而有可能成為一種神奇的材料。在將太陽能轉變成電能時,氧化鐵不像硅那么高效,但它有一個硅不具備的長處:能將太陽能儲存起來。一片片不起眼的銹斑,或許可以解決太陽能發電的一個頑固對手——黑夜。

以前,太陽能研究幾乎全圍繞著轉化效率做文章。每天,太陽都在地球上灑下大把能量,一天的供給就比我們一年的消耗還多,然而要將這些能量收集起來并不容易。目前最好的技術是國際空間站使用的太陽能電池板,它由幾種昂貴的稀土元素制成,造價高達十億美元。但就算是這種技術,也只能把46%的太陽能轉化成電能——這還是理想情況下的轉化率,平常還要低得多。至于地球上使用的,則是成本較低、以硅為基礎的光伏電池,最多能夠轉化15%到20%的太陽能。

而現在所亟需的,是找到方法來儲存過剩的能量,以便在太陽下山后接著利用。由于太陽能通常只能在產生的同時使用,所以它雖然無窮無盡,在所有可再生能源中所占比重卻最低,成本也比火力發電高出20倍左右。


太陽能在美國可再生能源中所占比重最低,成本卻最高。圖片來源:新科學家

要解決這個問題,最顯而易見的辦法就是用電池儲電。但是電池的能量密度太低,用來給整戶人家供電成本過高,而且每隔幾年就要更換,是只有富人才能考慮的選擇。還有一個方法比電池好得多,那就是利用太陽能來制造氫。氫的化學鍵中蘊含巨大的能量,每千克儲存的能量是標準鋰離子電池的170倍。而且氫的用途十分廣泛,一旦掌握,想怎么使用都行。放進燃料電池,它可以和氧結合發電;與一氧化碳結合,它就成了甲醇生物燃料;如果儲存恰當,它甚至可以像其他氣體燃料一樣直接燃燒。

要將光伏電池中的電能轉化為氫,最簡單的辦法就是用這些電運轉一臺電解器。這可以將水,也就是H2O,分解成氫氣和氧氣。這個辦法或許方便,但效率也夠低:在標準光伏電池所能轉化的區區15%的太陽輻射中,又有30%損失在了電解過程之中。等到電解完成,你會發現還不如用充電電池來得劃算。

水的力量

更好的辦法是另找一種導電材料,它要足夠便宜,又要能繞過光伏電池,直接用太陽產生的光子來電解水、產生氫氣。

一種材料要能直接電解水,就必須在被光子擊中時釋放出能量剛好的電子。這些電子被激發到一定程度就會從材料中逃逸,并留下被稱為“空穴”(hole)的空隙。為了填補這些空穴,一個水分子會獻出自己的一個電子。就這樣,電子和空穴合力將水氧化,將它轉變成氫和氧。

要完成這項工作,硅不是理想的材料,因為它產生的電子攜帶的能量并不適合。任何材料都需要特定的能量才能使其中的電子從原子中跳脫。硅原子釋放一枚電子只需要1.11電子伏的能量,而分解水分子需要的電子的能量至少要有1.23電子伏。

我們可以用一些少見的化合物做出合適的材料來。比如在美國的俄亥俄州,博林格林州立大學的工程師就將硒化鋅和硫化鎘晶體混合,再加上一種鉑催化劑,釋放出了能量剛好的電子。問題是,這樣制造出來的裝置流程復雜、原料稀有,雖然在實驗室里獲得了成功,但是高昂的成本使它無法商業化。

于是,研究者重新想到了鐵銹。氧化鐵釋放電子的能量為2.1電子伏,正好可以電解水分子,不過這并不是他們選用這種材料的最主要原因。氧化鐵還有許多好處。它沒有毒性,而且便宜得掉渣。此外,它的儲量極其豐富,隨處都是。相比之下,那些稀土元素不僅價格昂貴、帶有毒性,而且受到國際政局變動的影響,能否獲得還不可預知。中國在不久前中止釹的出口時,從汽車發動機到磁鐵在內的許多產業都受到了重創。氧化鐵就沒有這個問題。“沒有人控制鐵銹。”克勞斯·海爾加特(Klaus Hellgardt)一語中的,他供職于英國倫敦的帝國理工學院,專門研究用氧化鐵制氫。


國際空間站上的太陽能電池板,轉化率高達46%,但是它由昂貴的稀土元素制成,造價高達十億美元。圖片來源:NASA

不會再銹

氧化鐵還有一個相當重要的性質,那就是足夠穩定。許多材料在水電解的侵蝕作用下都會變形,但是氧化鐵可以堅持一年之久,還有人認為可以更久。原因在于,用海爾加特的話來說,“它已經銹得不能再銹了。”

盡管用鐵銹將太陽能轉變成氫并不是最高效的(最近的研究顯示,轉化極限理論上是16.8%),然而憑它的儲量,完全可以用數量的豐富來彌補效率的不足。

不過,這種灰姑娘似的材料還差一只水晶鞋。“目前它的表現還不怎么樣,”美國加州理工學院的內特·路易斯(Nate Lewis)說,“這并不代表我們沒辦法讓它表現良好。”

鐵銹的物理性質雖然剛好合適,但它并不能單槍匹馬就將水電解。因此,過去10年的鐵銹研究大多數都在解決一個問題:怎樣將它內部的電子拉進水里。

首先要解決的,就是哈迪和巴德在1975年面臨的問題。氧化鐵的導電性不是很好,因此不能憑借自身的力量將足夠多的電子輸送到表面,使它們發揮最大用處。它需要有人推上一把。有一個辦法,是從一種被稱為“串疊型電池”(tandem cell)的裝置中獲得額外的太陽能。1991年,瑞士聯邦理工學院的工程師邁克爾·格萊策(Michael Gr?tzel)在鐵銹上涂了薄薄的一層二氧化鈦。他先在這層涂料上染了色,使它能夠吸收更多光子,從而創造出一款染料敏化的太陽能電池。這樣就能在不動用硅的情況之下,簡單而廉價地產生出電流。接著,他將這股電流導入下方的鐵銹層,就“踢”出了剛好可以電解水的電子(參見《自然》第353卷737頁)。

格萊策這臺裝置達到了4%的轉化率,可謂前所未有。不過,這需要再加上兩層串疊型電池才能實現。要將電子“踢”上更高能級,就需要輸入額外的能量。要不然,鐵銹就會將電子吸回自己的結晶基體,在它們逃逸之前將它們重新吸收。

對付這個問題只有一個辦法,那就是把鐵銹層弄得足夠薄,薄到電子能夠逃逸,薄到只有幾十個納米的地步。這一點在1975年,甚至上世紀90年代初,都是不可能做到的。但到了21世紀初,納米技術取得了長足進步,人類終于有能力操縱材料的物理結構了。于是,一些減少鐵銹厚度的巧妙方法被提了出來。

在美國俄亥俄州的丹尼森大學,喬丹·卡茲(Jordan Katz)已經制成了一種薄薄的涂層,由幾納米細的鐵銹桿構成。如此纖細的鐵銹桿為這種涂層帶來了極大的表面積,還能讓水滲進鐵銹桿之間的納米裂縫之中。這使得電子和空穴得以從材料中逃脫,與材料周圍的水相遇。不過卡茲表示,這種材料的效率還遠遠沒有達到能夠市場化的水平。

瑞士聯邦理工學院的科學家找到了一種能夠市場化的方法。為了協助電子逃逸,凱文·斯弗拉(Kevin Sivula)利用“云沉積”的方法創造出了納米鐵銹,具體做法是將霧狀的鐵溶液噴灑到材料表面。這種沉積法使氧化鐵長成了一棵棵小小的“花椰菜”,在材料表面形成一片“樹林”,創造出了某種分形結構,讓電子得以從中逃逸。這種方法是可以大規模生產的。

2012年,斯弗拉的團隊造出了一臺可以工作的裝置,成本還沒有玻璃貴,轉化率卻達到3.6%,與格萊策的裝置效率相當,但它不用像后者那樣依靠額外的串疊型電池幫忙(參見《自然·光子學》第6卷824頁)。斯弗拉表示,他可以在未來幾年內把轉化率提高到10%。


斯弗拉利用鐵銹制成的太陽能裝置,成本還沒有玻璃貴,轉化率卻達到了3.6%。圖片來源:gizmag.com

不過,他的目標可能面臨著一重阻礙,而且吊詭的是,這個阻礙恰恰是由于鐵銹層太薄了。任何電解材料都要解決一個基本的矛盾:一方面它要盡可能厚,另一方面卻要盡可能薄。要薄,電子才有逃逸的機會;要厚,材料才可以多吸收光子。一層20納米厚的材料只能吸收所有可吸收光子的18%;將厚度增加到1微米,它就能吸收差不多所有的光子——但這時,它們又會深陷在其中。

為了解決這個矛盾,以色列理工大學的阿夫納·羅斯柴德(Avner Rothchild)及其同事借用了量子力學。他們的裝置用一層30納米的鐵銹膜捕獲入射光線。光子一進入裝置就被導入一個鏡腔,腔內有兩面相對成V形的鏡子,將光子反復彈射,直到完全吸收。此外,向前和向后擴散的光波還會發生干涉,進一步促進光子的吸收,這個效果在薄膜表面尤為明顯。這樣,光子和空穴就能在被拉回之前輕易到達鐵銹膜表面了。虧得這個設計,這臺裝置能夠吸收71%的入射光子,但它又足夠薄,電子能夠從中逃脫。兩個因素相加,使它的理論轉化率達到了4.9%(參見《自然·材料學》,即將出版)。

以氧化鐵低下的標準來看,這個數字已經十分不錯了,但還比不上那些商用的太陽能產品——問題是,真的就比不上嗎?

這就要說到鐵銹真正的天才之處了,這也是它最終或許能以微弱的轉化率擊敗硅的關鍵。斯弗拉指出,就算鐵銹永遠無法達到16%的最高轉化率,但它實在便宜,可以大量生產——這正是他和其他鐵銹研究者計劃要做的事。卡茲也指出:“最關鍵的其實不是轉化率,而是每瓦特的成本。”他還表示,就算轉化率只有10%,“只要價格夠低”,也能擊敗轉化率高達50%的光伏電池,因為鐵銹便宜到你可以噴灑在所有東西的表面上。

這正是研究者的目標。按照斯弗拉的設想,他的鐵銹“花椰菜”可以涂在類似墻紙的材料上,制成薄片狀的太陽能電池,在任何地方都能生產出氫。偏遠的沙漠城鎮就是一個理想的場所,過濾后的污水可以用作電解的原料。

氫的問題

當然了,在這個夢想能夠實現之前,還有幾個問題必須要解決。比如海爾加特指出,水一旦分解,“就等于造出了一枚炸彈”,因為氫和氧會劇烈反應,發生爆炸。還有一種比較溫和但同樣糟糕的結果,那就是分開的氫和氧又重新結合成水,只是溫度比原來略高。

將氫氣和氧氣分開還算簡單。在斯弗拉設計的電池里,就有一層薄膜把氫和氧吸到不同的地方,讓它們分別形成氣體。海爾加特的想法則有所不同:在他看來,如果根本用不著氧,又何必把它制造出來?因此,他設計用低檔廢水來“吃掉”氧。氧不會變成氣體,而是和水中的有機化合物反應結合,只讓氫氣安全地析出到儲存罐中。


太陽能或許將步入鐵銹時代,但在這個夢想能夠實現之前,還有幾個問題必須要解決。圖片來源:wordpress.com

最后還有一道難題:鐵銹電池雖然可以用制造氫氣的方式儲存太陽能,儲存環節卻會遇到特有的困難。氫氣是出了名的難以保存,一定要用昂貴、堅固、不會腐蝕、也不會爆炸的容器盛放。也正是這個困難,使得人人叫好的氫經濟前途渺茫。

對此,科學家仍在研究種種方案。除了燃料電池的持續進步,好幾種新的方法也在嘗試之中。比如不久前,在澳大利亞的新南威爾士大學,研究者就用納米級的硼氫化鈉來儲氫。硼氫化鈉是一種鹽,一般來說要加熱到550℃,儲存在其化學鍵內的氫才會釋放出來;但是在納米尺度下,它在50℃就開始放手了(大量析出仍需加熱到350℃)。對于多種尺寸的便攜儲氫技術而言,這是一個前途光明的進展。

前途雖然光明,但這個進展或許并不是必須的。簡單的罐裝氫氣,像露營燃料那樣就地儲存和燃燒,也能達到同樣的目的。這正是“儲存陽光”公司的負責人布萊恩·霍克羅夫(Brian Holcroft)所持的觀點。在他看來,這樣的簡易裝置在那些日光充裕但能源設施短缺的地方,比如肯尼亞,剛好可以有所作為。他已經同瑞士聯邦理工大學合作,允許他的公司用“串疊型電池+氧化鐵”的裝置,在電網之外解決供電問題。他還迫不及待地想把這些裝置弄上發達國家的屋頂,讓屋主不接入電網就能獲得氫燃料和電力。

或許,連串疊型電池都不是必要的。用鐵銹中的電子分解水的實驗已經進行了幾十年,其中產生的靈感或許能將哈迪和巴德最初的夢想從過去推向未來:那將是一臺由鐵銹制成的光伏裝置,盡管轉化率不高,卻可以儲存太陽能。

“撇開轉化率的問題,一塊鐵銹電池既可以生產燃料,又能發電,還可以兩者同時進行,” 卡茲說,“它可以在白天用電高峰時段發電,并在用電量下降時生產燃料。”考慮到太陽能發電的經濟現狀,哈迪和巴德在1975年產生的那道微弱電流,或許終將發展成惠及全球的可再生能源。或許,未來會是鐵銹的時代。

編譯自:《新科學家》,Midnight sun: How to get 24-hour solar power

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The End

發布于2013-03-01, 本文版權屬于果殼網(guokr.com),禁止轉載。如有需要,請聯系果殼

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