美科研人员掌握“水变油”技术

顾汉现

美科研人员掌握“水变油”技术

发布时间：2009-2-17 16:23:42


美科研人员掌握“水变油”技术





用于将“水变燃料”实验的二氧化钛钠钠米管

最新一期《自然》杂志报道了美国宾西法尼亚州立大学教授克雷格·格兰姆斯的“水变油”实验：宾西法尼亚大学操场内，上演了一幕让人瞠目结舌的奇迹。研究者将二氧化碳和水蒸气装入一种纳米试管中，在光的作用下，开始发生化学反应，转化成俗称“天然气”的甲烷。近日，格兰姆斯接受了记者的采访。

1996年，美国上映了一部名叫《链式反应》的科幻影片，说的是芝加哥大学的一群科学家，搞出了一种全新的能源技术，这种技术能够从水里提取出无穷无尽廉价而又环保的燃料。结果，当负责这个项目的科学家，打算向外发布新闻时，一群蒙面杀手从天而降，炸毁了整个实验室，“水变油”技术灰飞烟灭。

13年后，原本只会在科幻片中出现的“水变油”技术变成现实，他的发明者同样是美国高校的一群科学家。宾西法尼亚州立大学材料工程学教授克雷格·格兰姆斯和他在宾西法尼亚州立大学的同事们一起在学校的草地内，用二氧化钛纳米管(大约135 纳米宽，0.1毫米长)去催化水蒸气和二氧化碳，结果喜出望外地得到想要的结果——碳氢化物。

“这是一个相当艰难的项目，我们为此研究超过一年半，而且是在完全没有先例参考的情况下完成的。”格兰姆斯告诉记者，尽管在他之前，已经有科学家提出了用二氧化钛纳米颗粒催化反应，但由于催化效果不明显，科学家普遍认为这一研究没有任何价值。对此，格兰姆斯却提出不同观点。经过无数次的失败尝试，他发现当水蒸气和二氧化碳通过二氧化钛纳米管，同时引入氮气，另外在纳米管的表面负载了铜和铂的纳米颗粒，生成碳氢化学物的速度比以前快了20倍左右。

“蚊型”团队的大成果

格兰姆斯教授带领的研究团共有12人，“水变油”项目只是整个研究项目中的一小部分，只有4人参与，和一般队伍庞大的科研团队相比，只能算一个“蚊型”团队。“我主管项目研发，研究员Oomman Varghese负责研发，他的助手研究生Thomas La Tempa，最后一个成员是擅长纳米管研究的Maggie Paulose。”

在开始“水变油”研究项目前，格兰姆斯发明了一种名叫“利用可见光分解水”的新技术，这为“水变油”提供了基础的技术保障。2007年7月，格兰姆斯在《纳米快报》(Nano Letters) 上发文称，由自动排列、垂直定向的钛铁氧化物纳米管阵列组成的薄膜，可在太阳光的照射下将水分解为氢气和氧气。

2008年夏天，格兰姆斯在宾西法尼亚州立大学进行实验。首先，他向钢管内通入二氧化碳和水蒸气，用纳米管薄膜覆盖住仪器的后部，然后在容器顶部安装石英窗户使阳光进入。随后，把这个封闭的仪器在天气好的时候放置在室外的校园内。“当阳光照射在纳米管上时，纳米管释放出高能量的载荷子，使得水分子分解为氢氧自由基和氢离子。二氧化碳分解后的产物——氧气、一氧化碳和氢气后，就反应生成了甲烷和水。”

“每克二氧化钛纳米管，大约每小时生成160毫升碳氢化学物。这个反应速率至少要快于先前在紫外线下得到的结果20倍。”格兰姆斯指出，在整个反应后期，铜和铂催化作用明显，但由于铂的价格昂贵，如何减少铂含量而使得催化效果不变，仍值得研究。

“还不具备拯救人类的能力”

在《链式反应》中，杀手“香农博士”这样说：搞出“水变油”技术当然是好事，但当今社会的能源支柱是石油！如果“水变油”技术向外公布，所有的石油产业将会在一夜之间倒闭！美国的股市会在第二天崩盘！金融体系将会瘫痪！整个社会就会陷于骚乱！所以说，“水变油”技术必须被雪藏，等到石油耗竭时，才可以问世。

当记者问及格兰姆斯是否担心“水变油”技术对于能源行业的颠覆性影响，他的回答却颇为谨慎，他承认目前催化剂的效率仍然很低，“目前为止，我们还不具备拯救人类的能力”。

然而，格兰姆斯对未来的研究持乐观态度。他向记者讲述了他未来的三步计划：第一步是给纳米管安装感应器，让它更好地起到光导作用；再者，通过在纳米管的表面更平均地沉淀铜纳米颗粒；第三，使用实惠的太阳能光电板，这样一来，可以更长时间给薄膜照明。“结合其他一些改进，转化速率还能成倍提高。”

格兰姆斯还指出，“水变油”技术顺带提供给二氧化碳一个绝佳的处理方式。“我相信如果有一个集中的二氧化碳来源，就像煤电厂一样，这个生产工艺就能得到工业应用。”

瑞士洛桑联邦理工学校的物理化学家Michael Grtzel称这个结果是基础性的研究，它表明纳米管通过变化试验，能让“水变油”具备更高的转化效率。科罗拉多州葛尔登市的国家可再生能源实验室的电子化学家约翰·特纳也表示，这是很好的工作，很有科学性。但他指出，处理二氧化碳，或许还有更好的方法。现在已有人通过工业生产，把二氧化碳变为合成气，而且可以在同一个生产过程中把合成气转化为液态碳氢化合物，而格兰姆斯的实验则需要依靠太阳光提供转换条件，这样一来，二氧化碳转换为碳氢化合物，就变成了间断性生产过程。