科学家们正在开发一种将水和阳光转化为燃料的实用方法——这是有朝一日用太阳能驱动汽车的关键一步。
长期以来，专家们一直在试验各种技术来制造太阳能燃料，这种燃料既具有传统化石燃料的所有优点，又具有可再生能源的环境效益。然而，这需要一个“光阳极”——一种可以启动反应的催化剂——而研究人员过去很难找到它们。
现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和加州理工学院的科学家们认为他们找到了更好的方法。如果他们的实验取得成果，结果可能会彻底改变可再生能源的格局。
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“目前，电动汽车很受欢迎，因为我们有可再生方式来发电，”联合人工光合作用中心首席研究员兼研究主管约翰·格雷戈尔说。“有了这种直接产生燃料的可再生技术，你可以对可再生能源基础设施产生更大的影响。”
制造太阳能燃料的过程本质上是将水分子暴露在阳光下，并将它们分解为氢原子和氧原子。然后，氢气可以转化为碳氢燃料或简单的氢气。光阳极是这个过程的关键。
“光阳极的作用是吸收阳光，然后利用该能量氧化水——本质上是分解H2O分子，并重新排列原子以形成燃料。而且由于这种光阳极材料需要具有合适的阳光吸收和催化特性，因此它们非常罕见，”格雷戈尔解释说。
事实上，光阳极非常罕见，以至于在过去的40年里，科学家们只找到了16种。通常，它们只有在科学家偶然发现某种吸收光线的材料，然后想到研究其催化特性时才会被发现。
然而，格雷戈尔和他的同事们提出了一种新的寻找催化剂的方法，而且效率更高。在两年内，科学家们已经确定了12种新的光阳极。
一个太阳能电池板……带着一根管道
用于识别光阳极的技术结合了理论和实践——科学家们使用了一台超级计算机和一个包含约60,000种材料的数据库，并使用量子力学来预测每种材料的特性。然后，他们选择了那些看起来最有希望作为光阳极的材料，并通过实验来确定他们的计算是否正确。
“我们一直在做的事情的特别之处在于它是一种完全集成的方法，”加州大学伯克利分校的物理学教授兼分子铸造厂主任杰弗里·尼顿说。“我们根据第一性原理计算提出候选材料，然后测量候选材料的特性，以了解我们用来选择它们的标准是否有效。之所以使用超级计算机，是因为我们开始使用的整个数据库中大约有60,000种化合物——我们不想最终对所有60,000种化合物进行计算。”
这项技术为科学家们找到催化剂并最终利用它们来制造太阳能燃料提供了一条路线图。格雷戈尔说，最终的产品看起来会像一个太阳能电池板，包括三个组件：光阳极、形成燃料的光阴极，以及分隔两者的膜。
“它会类似于一个太阳能电池板，但不是连接着电线输出电力，而是连接着一根输送燃料的管道，”他说。“你可以用它来驱动你的汽车——想象一下一个收集油箱中燃料的大型设备，然后你可以从那个油箱中给你的汽车加油。”
太阳能燃料研究所的董事总经理迪克·科说，这项发现意义重大，尤其是因为它的筛选过程。
“能够从数十万种不同的混合物中找出哪些有希望，然后再多做一点工作，找出几十种能给你带来成效的混合物——这确实在不同的氧化物和材料组合的世界中撒下了一张更广阔的网，”他说。“人们在药物发现方面这样做——制药公司和生物医学研究人员会尝试不同种类的分子，看看哪一种反应最好。”
实际上，这项技术也使科学家们离制造太阳能燃料汽车更近了一步。
“燃料的优点——也是我们仍然有很多内燃机而不是电动机的原因——是化学燃料具有巨大的能量密度。它们非常容易储存，并且携带大量能量——比电池多得多，”格雷戈尔解释说。
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