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神奇树叶:可用太阳能生产氢气

信息来源:nooeoo.com  时间:2014-02-25  浏览次数:367

    长期以来,人们一直在努力找到一种廉价、高效的清洁燃料,氢气无疑是最理想、优先的选择,它可以作为航天器的推进剂,理论上也能作为内燃机和各种交通工具(包括民航)的燃料。原理上只要把水分解成氢原子和氧原子就可以得到氢气,我们也都知道树叶通过光合作用能利用太阳能把水光解成氢和氧。
  但利用这样利用太阳能生产氢气其实并不简单,一直以来不乏尝试,但是实现起来往往有技术困难或成本过高。
  如今美国亚利桑那州大学(ASU)和阿贡国家实验室的科学家又从自然界获得灵感,已经利用该理念设计出了一种人造树叶,距离制造廉价氢气又更近了一步。
  神奇树叶:可用太阳能生产氢气
  ThomasMoore是ASU的化学教授。他和同事觉得最初造出的人造叶子并不理想,通过分析流程设计,他们注意到反应流程中的一个反应步骤拖慢了整个流程。
  将光能为我们所用需要经过一系列的反应流程,这些反应有快有慢,流程关键的反应大致分作一快一慢两步,“快反应”完成光能到化学能的转换,“慢反应”利用这些化学能将水分子分解为原子。因此整个流程可能会被慢速的反应拖慢,而且“慢反应”的速度也会抑制到“快反应”的进行,于是这个慢速的反应就变成了人造叶子生产率的瓶颈(有点像短板效应)。
  再仔细研究这一反应步骤之后,科学家们意识到他们可以做更多改进——仿照自然界里的中间反应。这个中间反应使使得快、慢两个反应交错进行,即在“慢反应”有足够时间进行的同时,“快反应”也能够继续进行,于是流程整体不会变慢。
  神奇树叶:可用太阳能生产氢气
  上图左侧是人造叶子光合作用的原理示意图。黄色的部分起到传递电子的作用。右侧是自然界光合作用系统的示意图。
  借助晶体衍射和光谱分析,该团队从原子尺度上分析这一反应中电子和质子参与的阶段的反应的环境。
  他们发现之所以自然界的里反应没有上文说的瓶颈限制,是因为一种特殊的结构——氢原子和附近的氮原子会有特别的短键。通过模仿这一结构改造了人造叶子后取得了很好的效果。
  虽然这一研究成果现在还不能用于大规模的生产能源,但还是在制造出可循环和碳中和燃料的路上更进了一步。除此之外,该研究还加深了我们对自然界植物的光合作用原理的理解。
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