水变燃料

华中科技大学，徐长发，2017.10.9

大家知道氢和氧可以合成为水并放出能量，按理，水在能量作用下也可以逆向反应，分解为氢和氧。在强大能量的作用下，这个设想的确可以实现，可是付出的太多得到的太少，以前电解水，得到能源的成本是天然气的10倍，汽油的3倍，不实用。

随着科技进步，纳米催化剂的神奇性质被发现，纳米催化剂又便宜可得，水的电催化技术得到了进一步的研究和发展，现在有了不少新方法，在电解水方面取得了突破性的进展。

一．用弱电流电催化技术，水分解为氢和氧

美国麻省理工学院化学系的科学家们，完成了水被电催化为氢和氧的实验，其最新研究结果已发表于《科学》杂志上。 

在这项研究中，实验人员用铟、锡氧化物做成电极，用钴金属、磷做催化剂，电极和催化剂都置于水中，依靠外来能源（比如太阳光能、风能等）产生的弱电流，在电催化作用下，水被分解为氢气和氧气，并在两极分别被收集起来。

在这项研究中，利用太阳能作为电能是值得关注的，因为用于电解水的电能不是通过燃烧产生的电能，也不是强电能，而且是弱的电能；即使没有阳光不能供电时，也可以把在两极收集到的氢气和氧气通过燃料电池补充供电，也就是说，这种电催化装置可以实现白天和晚上不间断地供电。 

这种电催化装置还有几个特点让人兴奋。一是电极和催化剂廉价易得；二是在常温下进行；三是水被电催化前后都是中性的，不会像酸性（或碱性）水对电极有腐蚀作用。

这项研究虽然只是一个开端，还有更多的事情需要继续深入研究，但这一研究意义非凡，很可能在工业技术中引发一场能源革命。

二．光、半导体和电的催化技术，水分解为氢和氧   

早在20年前就有人做过实验，用太阳光照射处于水中的砷化鎵半导体，水可以分解为氢气和氧气，使用的阳光能量转化为氢气能量的效率可高达12％。但是该电极系统存在着一个巨大的缺点，即电极表面会发生还原反应，电极材料被腐蚀。

为了克服这些缺点，一位华人女科学家研究了用光、半导体和催化剂的电催化技术，分解水的实验在2017年取得了突破性的进展。

她利用原子沉积法将二氧化钛原子沉积到半导体电极表面（或者说，半导体电极外覆盖了二氧化钛纳米保护层），再在二氧化钛外面覆盖一层增强催化功能的二硫化钼纳米层，催化剂层二硫化钼和保护层二氧化钛形成了一个互相镶嵌的结构。

该装置把水分解为氢和氧的原理，包含还原和氧化两个反应：水溶液中的光敏半导体在阳光照射下产生电子和空穴。电子进入还原催化剂后把水中的氢离子还原成氢气（这是还原反应）。空穴进入氧化催化剂后把水中的氧离子氧化生成氧气（这是氧化反应）。

这项研究的亮点在于，一是在制作稳定的光电极材料方面开拓了全新的方向；二是催化剂二硫化钼廉价易得，降低了分解水的成本

三。低成本分解水的前景

上述研究表明，低成本分解水很也可能成为一项实用的技术，很有实用前景。具体表现在以下几个方面。

1.太阳能供电和燃料电池（或其它弱的发电装置）供电可以组合使用，可做到全天候供电。

2.现已发现的廉价可得催化剂材料，有金属的和非金属的，在纳米状态下，其催化效果得到显著提高。科学家们还在研究，让纳米颗粒排列出更有利于催化的列阵，以便于进一步提高催化效率。

3.电催化技术中的电极是用催化剂做成的，现有的技术可以把电极做成多孔形状，增大催化的接触面，提高催化效果。为克服电极在水中被腐蚀，现在也有了保护电极的办法，提高了电极的稳定性和使用寿命。

4.电催化技术在两电极处分别得到氢气和氧气，使用膜技术也容易将它们分离出来，收集起来，再储存起来。膜技术现在也是成熟的。

以上的理由足以看出，组装实用的电催化水的装置，已经有了各个方面的技术支持。剩下的问题是，需要更多的优秀工程师共同参与去实现这种实用装置。基于此，可以说，电催化水的实用装置离面市已经不远了。

众所周知，氢气应用广泛。氢气可作为一种能源材料，它不仅可以直接燃烧产生能量，也可以用于燃料电池产生电流；还有，氢气是一种常用的化学中间体，可以通过不同的工业过程，生产出氮化物，醇类物质和甲烷等。

如果电催化水的技术实用起来，清洁能源将是取之不尽的，人们都期待着这一天。

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