能源危機(jī)讓鐵銹變寶

1、能源危機(jī)讓鐵銹變寶 1975年，正當(dāng)硅即將成為現(xiàn)代電子工業(yè)主角的前夕，美國兩位年輕的工程師在得克薩斯大學(xué)鼓搗出一項(xiàng)小發(fā)明：他們以鐵銹為材料制成電極，置于陽光下，產(chǎn)生出微弱的電流。這說明，鐵銹能直接把太陽能轉(zhuǎn)化為電能。 但這項(xiàng)發(fā)明很快被洶涌而至的硅工業(yè)革命淹沒了。雖然鐵銹的成分氧化鐵也是一種半導(dǎo)體材料，但在把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率方面，氧化鐵遠(yuǎn)不是半導(dǎo)體硅的對手。如今的太陽能光伏電板都是用硅做的。今天倘若有人想起鐵銹，多半也只是為了將它除去。 但在最近幾年，情況正在悄悄發(fā)生變化。雖然在效率方面，鐵銹遠(yuǎn)不是硅的對手，但它可以做到硅不能做的一件事情：解決太陽能的儲(chǔ)存問題。 亟待解決的太陽能存儲(chǔ) 過去

2、，太陽能研究幾乎都集中在提高效率上。一天中太陽向地球傾瀉的能量，足夠我們一年之用，但收集起來并不容易。即使今天最先進(jìn)的技術(shù)，如國際空間站用昂貴的稀土金屬制造的太陽能板，也僅能把46%的太陽能轉(zhuǎn)化為電能。在地球上，一般以硅為材料的光伏太陽能板，效率僅有15%20%。 此外，太陽能發(fā)電有一個(gè)迫切的問題需要解決，即電力的儲(chǔ)存。因?yàn)殡娛羌皶r(shí)消費(fèi)的商品，今天發(fā)的電不能留到明天使用，而太陽能一年四季不穩(wěn)定，其實(shí)在一天中都不穩(wěn)定，比如白天能發(fā)，夜里就不能發(fā)。這極大地限制了太陽能的發(fā)展。在今天，太陽能所發(fā)電的成本幾乎是化石燃料的20多倍。 電池當(dāng)然是一個(gè)選擇，但要大量儲(chǔ)存電力，成本太高。一個(gè)更好的辦法是用太陽

3、能發(fā)電，然后通過電解水得到氫氣，而氫氣是可以儲(chǔ)存的。這樣就可把太陽能儲(chǔ)存在氫氣分子的化學(xué)鍵里。當(dāng)氫氣燃燒，又可以轉(zhuǎn)化為電能。一千克氫氣燃燒所能產(chǎn)生的電能，是同質(zhì)量鋰離子電池所存電能的170多倍。氫的用途很廣，一旦得到它，你想怎么用就可怎么用。你可以直接用來驅(qū)動(dòng)氫燃料汽車，你也可以用它來制造甲醇、乙醇等生物質(zhì)燃料。 制造氫最簡易的辦法是用太陽能光伏電池來電解水。但此辦法雖簡單，效率并不高，大約只有70%。你想，太陽能轉(zhuǎn)化為光伏電板里的電能，效率只有15%，而電能轉(zhuǎn)化成氫能的效率只有70%，所以通過這種辦法把太陽能轉(zhuǎn)化成氫能的總效率只有10.5%。 變鐵銹為寶 如果能找到一種便宜的材料，直接用太陽

4、能來電解水制造氫，就最好不過了。 對于一種材料，要想在陽光照射下直接電解水，那么它被光子轟擊時(shí)，必須能釋放出合適能量的電子。這些電子逃離材料之后，在原來的地方就留下一個(gè)個(gè)空穴。為了填充這些空穴，水分子就會(huì)把自己的電子捐獻(xiàn)出來。這樣，在電子和空穴的共同作用之下，水就分解成了氫氣和氧氣。 硅不適合做此項(xiàng)工作，它被轟擊出的電子能量不夠高。要分解水分子，電子的能量至少需要1.23電子伏特，而硅原子提供的電子能量只有1.11電子伏特。 當(dāng)然，也有很多材料能勝任此項(xiàng)工作，但工藝復(fù)雜，成本昂貴。所以，一些研究者開始把目光重新轉(zhuǎn)向鐵銹。鐵銹的成分是氧化鐵。氧化鐵是一種半導(dǎo)體，它釋放的電子能量是2.1電子伏特，

5、滿足電解水的要求。 當(dāng)然，讓鐵銹備受青睞的最重要的原因是，它無毒，而且太便宜了，任何地方都應(yīng)有盡有。此外，鐵銹還有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，即它很穩(wěn)定。別的材料在水中浸泡久了，都可能被腐蝕生銹，但鐵銹你想想，它本身就已經(jīng)是銹了，還能再銹到哪里去？ 所以，盡管鐵銹把太陽能轉(zhuǎn)化為氫能的效率并不很高理論估計(jì)，最高只有16.8%但它的無限豐富意味著，可以用數(shù)量之多來補(bǔ)效率之不足。 點(diǎn)點(diǎn)滴滴不斷在改進(jìn) 的工藝 不過要想用鐵銹來電解水，并非不需要?jiǎng)e的幫助。在過去的十年里，研究人員一直在解決如何讓它把更多的電子釋放到水中。 首先需要解決的問題是，氧化鐵的導(dǎo)電性能并不很好，這意味著靠它自身不能把足夠多的電子運(yùn)送到表面

6、，因?yàn)殡娮又挥性谂c水接觸的表面才能起作用。 一個(gè)解決辦法是，往鐵銹里層通少量的電流，把更多的鐵銹電子推到表面，以便電解水之用。當(dāng)然，提供電流的設(shè)施依然是太陽能電池，這樣所有的能量最終都來自太陽能。1991年，一位瑞士工程師以一薄層氧化鈦為材料，經(jīng)過染色以增進(jìn)其對光子的吸收，制造出了一款太陽能電池，用于對鐵銹通電。這項(xiàng)措施把鐵銹制造氫的效率提高到了前所未有的4%。 假如不往鐵銹里通電，那么唯一的辦法就是把鐵銹層做得足夠薄，以便于電子的逃逸。為達(dá)到這個(gè)要求，需要把鐵銹層厚度降到數(shù)十個(gè)納米的量級。這項(xiàng)工藝要求甚至在1990年代還是不能企及的，但在21世紀(jì)初，隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)可以輕而易舉地

7、實(shí)現(xiàn)了。 2012年，一位美國工程師把一系列直徑只有幾個(gè)納米的鐵銹棒并列，串起來，制造出一個(gè)極薄的涂層。涂層具有極大的接觸面積，允許水滲進(jìn)納米鐵銹棒之間。這讓電子和空穴能夠有更多的機(jī)會(huì)與周圍的水分子接觸。這個(gè)裝置的效率達(dá)到了3.6%，據(jù)研究人員聲稱，未來幾年能把效率提高到10%。 便宜是最大的優(yōu)勢 所以你也看到了，就效率而言，鐵銹是沒法跟硅相比的。但在市場上，效率并非最要緊的，最要緊的是生產(chǎn)每度電的成本。即使鐵銹發(fā)電的效率只有10%，但只要價(jià)格合適，就一樣可以打敗市場上效率達(dá)50%的硅光伏電路板。 “鐵銹電池”的優(yōu)勢就在于其生產(chǎn)成本便宜。它是如此便宜，你可以大規(guī)模生產(chǎn)；因?yàn)楸阋耍憧梢园谚F銹涂在幾乎任何表面上?？茖W(xué)家設(shè)想，未來可以把“鐵銹電池”一整張一整張地打印出來，像墻紙一樣覆蓋到任何陽光能夠照射到的地方。只要有水、有陽光，在任何地方都可以用這種電池來生產(chǎn)氫氣，甚至水都可以不必用干凈水，而用