【文汇报】“铁锈时代”的午夜太阳

——国外科学家尝试突破太阳能发电瓶颈
发布日期: 2014-01-26 信息来源: 外联部

(何积惠 编译)利用太阳能发电采暖,是节能减排、减少雾霾污染的有效途径之一。然而,困扰太阳能发电最棘手的问题之一是黑夜,随着雾霾天气的增多,即便是白天的太阳能应用也受到了挑战。在这种背景下,一种极普通的物质——铁锈,成了国际科技界关注的新宠。只要能让铁锈的电子行动自如,它就能变成一种神奇的材料,为廉价地进行太阳能发电提供有效的途径。

突破太阳能应用瓶颈神奇物质进入研究视野

电极上哪怕生出零星的铁锈,都会让大多数工程师感到惊慌失措。但是,肯尼思·哈迪和艾伦·巴德这一对伙伴却利用这种最廉价的材料,探寻出了廉价的太阳能发电方法。他们大致的原理是对铁锈进行电流诱导,制成电极,只要接触到微弱的可见光,电极就会产生功率虽小、但仍可利用的电流来。

这段插曲发生在1975年,其时正值硅作为新兴材料的“佼佼者”脱颖而出的时期。硅的非凡效率使它成为太阳能光伏电池的支柱,从那时以来一直在市场上独占鳌头,铁锈压根儿就没有堪与比肩的电气性质。在德克萨斯大学取得的小小突破被束之高阁,人们想到铁锈的唯一场合,是他们发现有必要予以清除的时候。

但是,在过去几年里,聚光灯重又开始投射到这种神奇的物质上。虽然在将太阳能转变为电力的效率方面,二氧化铁(铁锈)无法和硅相提并论,但是它能做一些硅做不到的事,例如帮助太阳能的储存。困扰太阳能发电最棘手的问题之一是黑夜,而呈薄片状的铁锈也许正能在突破这一瓶颈制约上发挥作用。

太阳能研究差不多一味将注意力投注到效率上。太阳每天使地球沐浴在够我们消耗一年的能量之中,但收获这份“上苍恩赐”却不是一件轻而易举的事。即使是现有的最先进技术也只会将46%的太阳能转变成电力,而且那还有赖于规范化的理想条件,国际空间站斥资数十亿美元用代价高昂的稀土元素制成的太阳能电池板便是一例。安置在地面上基于硅的、更加廉价的太阳能光电板,其效率充其量也只有15%~20%。

现在迫切需要的是设法将多余的能源存储起来,以便在没有阳光照耀之际可供使用。在某种程度上正是因为只能在生成瞬间使用的缘故,这种表面上看似无穷尽的资源在所有再生能源中所占的份额是微不足道的,而成本却是化石燃料的20倍。

最显而易见的解决方案是电池,但由于能源密度偏低,加上整幢建筑的供电系统每过几年需要更新的高额成本,使它们只成为少数富人的选项。一个稳妥得多的太阳储能办法是用它来制氢。这个元素的化学键称得上威力无比,每公斤的存储容量是标准锂离子电池的170倍。此外,氢还是名副其实的“多面手”,你一旦将它捕获就可以付诸任何用途。如果融入燃料电池,它就可以和氧重新结合而按实际需要发电;它和一氧化碳结合后会变成甲醇生物燃料;存储得法,甚至还会像任何其他气体燃料那样燃烧。

要将光伏电池的动力转变为氢,最简单的办法是利用该动力来运转电解槽,藉以让水(H2O)裂变为氢和氧。简单或许是简单,但也不见得怎么有效。在标准光伏电池所能捕获的仅为15%的太阳辐射中,另有30%会在转换过程中丢失。等你忙完这一切的时候,恐怕还是配备可充电的电池来得划算。

铁锈“库存量”丰富经电解获取水中动力

更加稳妥的选项是物色一些廉价的导电材质,它们既能完全绕过光伏电池,又能简单易行地用太阳的光子来电解水和制造氢。

要让一种材料直接对水进行电解,它必须在受到光子撞击时释放具有合适能量的电子。当这些电子受到足够的激励而撤离材料时,它们会残留下称之为洞孔的缺口。为了填补这些洞孔,水分子会捐出属于它自身的一个电子。这样一来,电子和洞孔就会通过相互配合而使水得以氧化并转变为氢和氧。

硅不是适宜干这活儿的工具,它的电子缺乏合适的能量。所有的材质需要各自不同、准确无误的能量才有望让电子挣脱原子的束缚。硅原子只需要1.11eV(电子伏特)即可松开一个电子,但是促成水裂变则要求电子至少达到1.23eV的能量。

对于实际中迫切需要的材料,可以用异质化合物来研制。例如美国博林格林州立大学的工程师将硒化锌和硫化镉晶体同铂催化剂相结合而使合适的电子得以释放。但复杂的工艺和稀缺的材料孕育而成的装置,因商业化成本过高而难以应用。

于是,研究人员开始将目光重新投向铁锈。二氧化铁具有高达2.1eV的能源“命中率”,它还不带任何毒性,而且非常便宜。更为重要的是,它的“库存量”简直丰富到无所不在的地步。

纳米技术操控物理结构成本低廉令硅黯然失色

铁锈的稳定性同样十分重要。很多材料受到水裂解的腐蚀后会发生变形,但二氧化铁在腐蚀性环境中能维持长达一年,有人认为其耐蚀时间可能会更长,因为正如伦敦帝国理工学院的克劳斯·海尔加德所描述的,“它不像是会生锈变形的样子。”

铁锈不是世界上最擅长将太阳能转变成氢的“高手”,最近的研究成果表明其理论极限值为16.8%。但光凭其来源丰富这一点就意味着数量是能弥补质量不足的。

不过,这种“灰姑娘式”的材料依然缺失一只水晶鞋。“它迄今为止的表现不甚理想,”加州理工学院的纳特·刘易斯说,“那并不意味着我们无法让它有更好的表现。”

铁锈具有适合电解水的物理属性,但仅凭这一点并不意味着它能独力完成使命。所以,过去十年的铁锈研究大多是围绕着水中诱导电子而展开的。

需要解决的第一个问题,就是当年让哈迪和巴德陷于两难困境的同样障碍。二氧化铁的导电性不是很好,无法靠自身力量将足够的电子往外发送到更能发挥作用的边缘上。它需要得到来自外界的刺激,一个办法就是从所谓的串叠型电池装置中获取额外的太阳能。1991年,瑞士联邦理工学院(EPFL)洛桑分校的工程师迈克尔·格雷策尔,利用为强化对光子吸收而用染料经过处理的薄层二氧化钛研制成染料敏化太阳能电池。在没有硅的情况下,这是一条生成电流既简易又廉价的捷径。只要将最终形成的电流反馈给底下的铁锈层,它们就能推出适合对水电解的正确电子。

格雷策尔的装置前所未有地达到了4%的效率。然而,那需要另外使用2个串叠型电池。额外能量对于提升电子形成更高的能级是必不可少的。要是没有这些能量,铁锈就会将电子往回抽吸到结晶阵列中,趁它们尚未变纯净之前重新予以吸收。

唯一的解决办法就是形成稀薄到足以让电子逃逸的铁锈层,其厚度大约为几十纳米。这在1975年甚至稍晚的90年代初期都是不可能办到的。然而,纳米技术在进入21世纪后取得了长足进步,不仅使得操控材料的物理结构成为可能,也催生了不少精致得令人称奇的解决方案。

丹尼森大学的乔丹·卡茨研发出由几纳米宽的铁锈杆构成的薄涂层。如此窄小的宽度赋予装置以极大的表面积,同时也使水得以渗入锈杆间的纳米微隙中。这样可让电子和洞孔从材料中逃逸,进而同四周的水相汇合。但是卡茨表示,他远没有找到一种效率达到市场需求的材料。

瑞士理工学院的研究人员找到了一条切实可行的途径。为了协助电子逃逸,凯文·希弗拉利用“云”沉淀物创造纳米锈,其中包括给表面喷洒雾状的铁溶液。这种沉淀方法会促使二氧化铁生长成大片的森林,里面尽是呈花椰菜状的显微“树木”,从而形成了那种允许电子逃走、但还可以大批量生产的分形表面积。

去年,希弗拉小组研制成一个工作装置,使用的无非是玻璃这种谈不上昂贵的材料。它的效率达到3.6%,与卡茨的装置不相上下,但无需借助于额外的串叠型电池。希弗拉声称,不出两三年的时间,他就能把效率提高到10%。

但是,他的目标可能会在锈层非常薄时遇到一个悖论式问题而遭受挫折。选用任何电解材料都会面临一个基本矛盾,那就是要同时做得尽可能厚和尽可能薄。如果希望电子有任何逃逸的冲劲,恐怕还是以稀薄为好。若要吸收尽可能多的光子,那就需要铁锈层稍微偏厚一些。20纳米的电解层只会把可吸收的光子总量吸收18%。厚度增加到1微米以后,则能将它们近乎全部捕获,但在那种情况下又难免会形成堵塞。

为了解决这个难题,以色列理工大学的艾夫纳·罗特席尔德和他的团队转而求助于量子物理学。他们的装置将输入光诱捕到30纳米的铁锈薄膜上。光子进入装置后被迫挤入一个以V形镜面相向的小室内,镜面在那里将它们来回地折射到被吸收为止。更何况,随之而来的是向前后传播的光波以及它们之间进一步增强吸收效应的干扰,尤其是在靠近薄膜表面的部位上,电子和洞孔有可能在重新结合前轻易地抵达表面。装置幸亏经过这一微调才得以将输入光吸收71%,同时又薄得能让电子逃逸,最终形成了4.9%的理论效率。

按照二氧化铁的低标准来看,那已经是够令人印象深刻的,却并不完全适合用作商品原料。这里终于触及到铁锈的真正“天赋”,尽管它的效率低得无以复加,为什么最终还是会令硅黯然失色呢?希弗拉说,就算它绝对达不到16%这个最大值,但依然是价格低廉的,可以大批量地进行制备。“归根结蒂,重要的不是效率而是每瓦电力的成本。”卡茨说。他表示,即使效率只有10%,只要“价格公道”也会强于50%的光伏电池,因为每个表面用铁锈涂覆一遍花不了多少钱。

而这恰恰是研究人员所追求的目标。希弗拉认为可以把他的铁“花椰菜”混合物涂抹到类似墙纸的物体上,成片成片地打印出太阳能电池,无论在什么地方都可以生成氢。沙漠中孤独的前哨基地会变成美好的家园,工艺处理可以使用经过滤的废水。

提供非电网式供能可望成为全球再生能源

当然,在这个梦想实现之前还有一些问题必须解决。例如一旦水发生裂变,“实际上等于制造了一颗炸弹,”海尔加德说,因为氧和氢会以爆炸的方式发生反应。一个更加温和却同样糟糕的结局是:氢与氧只要经过结合就会形成比先前略微更热的水。

海尔加德的设计是用低品位的废水将氧“吃掉”。它非但没有变成气体,反而同水中的有机化合物实行结合,撇下氢冒着气泡安全地返回存储罐。

用铁锈获取太阳能还剩下最后一道难关:通过制氢固然可以存储太阳能,同时存储本身也会带来一定的问题。气体的密封难度是众所周知的,如果不依靠价格昂贵、质地坚固且不易受到腐蚀的材料就会随时发生爆炸。这个问题甚至让备受期待的氢经济断送了整个前程。

研究人员始终在探索解决这个问题的一系列对策。除了不断改进燃料电池的质量外,还有多种新颖的方法正在酝酿之中,例如澳大利亚新南威尔士大学的研究人员最近利用纳米硼氢化钠进行存储。盐按惯例必须加热到550℃才会释放存储在化学键中的氢,但它在纳米尺度下经过诱导达到50℃时就会这么做。这对于按多种规格携带氢来说是一个大有前途的进展。

虽说大有前途,但未必有这个实际需求。就地存储、燃烧起来像篝火的简装氢气罐也有异曲同工之妙。太阳储能公司经理布赖恩·霍尔科洛夫特认为,这正是它可望在像肯尼亚那样阳光明媚、但能源基础设施匮乏的国家立即找到的用武之地。他和瑞士理工学院合作的结果,是利用串叠型电池和二氧化铁设置为公司提供了非电网式的能源解决方案。他希望这些装置同样能推广到发达国家的房屋顶上,使拥有这种装置的人不必通过电网就能获得氢燃料和电力。

也许,它们并不需要串叠型电池。数十年来对铁锈电子诱导水裂变这个过程的洞察,确保了哈迪和巴德独辟蹊径的梦想必定会从过去一直延续到未来,靠的是效率不见得高超、但配备以相应储能设施的铁锈光电装置。

“如果全然不在乎效率的话,那么铁锈电池是可以通过运作而制造燃料或发电的,也可以同时兼顾两头。”卡茨说,“它可以在白天电力需求达到高峰时发电,需求不高时则代之以燃料生产。”考虑到太阳能的经济现实,哈迪和巴德在1975年开掘的细微电流还可能衍变成一种覆盖全球范围的再生能源。也许,现在该是进入“铁锈时代”了。

2014年01月17日《文汇报》11版

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