中國儲能網(wǎng)訊：利用太陽能發(fā)電采暖，是節(jié)能減排、減少霧霾污染的有效途徑之一。然而，困擾太陽能發(fā)電最棘手的問題之一是黑夜，隨著霧霾天氣的增多，即便是白天的太陽能應(yīng)用也受到了挑戰(zhàn)。在這種背景下，一種極普通的物質(zhì)——鐵銹，成了國際科技界關(guān)注的新寵。只要能讓鐵銹的電子行動(dòng)自如，它就能變成一種神奇的材料，為廉價(jià)地進(jìn)行太陽能發(fā)電提供有效的途徑。
突破太陽能應(yīng)用瓶頸神奇物質(zhì)進(jìn)入研究視野
電極上哪怕生出零星的鐵銹，都會讓大多數(shù)工程師感到驚慌失措。但是，肯尼思·哈迪和艾倫·巴德這一對伙伴卻利用這種最廉價(jià)的材料，探尋出了廉價(jià)的太陽能發(fā)電方法。他們大致的原理是對鐵銹進(jìn)行電流誘導(dǎo)，制成電極，只要接觸到微弱的可見光，電極就會產(chǎn)生功率雖小、但仍可利用的電流來。
這段插曲發(fā)生在1975年，其時(shí)正值硅作為新興材料的“佼佼者”脫穎而出的時(shí)期。硅的非凡效率使它成為太陽能光伏電池的支柱，從那時(shí)以來一直在市場上獨(dú)占鰲頭，鐵銹壓根兒就沒有堪與比肩的電氣性質(zhì)。在德克薩斯大學(xué)取得的小小突破被束之高閣，人們想到鐵銹的唯一場合，是他們發(fā)現(xiàn)有必要予以清除的時(shí)候。
但是，在過去幾年里，聚光燈重又開始投射到這種神奇的物質(zhì)上。雖然在將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Φ男史矫妫趸F（鐵銹）無法和硅相提并論，但是它能做一些硅做不到的事，例如幫助太陽能的儲存。困擾太陽能發(fā)電最棘手的問題之一是黑夜，而呈薄片狀的鐵銹也許正能在突破這一瓶頸制約上發(fā)揮作用。
太陽能研究差不多一味將注意力投注到效率上。太陽每天使地球沐浴在夠我們消耗一年的能量之中，但收獲這份“上蒼恩賜”卻不是一件輕而易舉的事。即使是現(xiàn)有的最先進(jìn)技術(shù)也只會將46%的太陽能轉(zhuǎn)變成電力，而且那還有賴于規(guī)范化的理想條件，國際空間站斥資數(shù)十億美元用代價(jià)高昂的稀土元素制成的太陽能電池板便是一例。安置在地面上基于硅的、更加廉價(jià)的太陽能光電板，其效率充其量也只有15%～20%。
現(xiàn)在迫切需要的是設(shè)法將多余的能源存儲起來，以便在沒有陽光照耀之際可供使用。在某種程度上正是因?yàn)橹荒茉谏伤查g使用的緣故，這種表面上看似無窮盡的資源在所有再生能源中所占的份額是微不足道的，而成本卻是化石燃料的20倍。
最顯而易見的解決方案是電池，但由于能源密度偏低，加上整幢建筑的供電系統(tǒng)每過幾年需要更新的高額成本，使它們只成為少數(shù)富人的選項(xiàng)。一個(gè)穩(wěn)妥得多的太陽儲能辦法是用它來制氫。這個(gè)元素的化學(xué)鍵稱得上威力無比，每公斤的存儲容量是標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池的170倍。此外，氫還是名副其實(shí)的“多面手”，你一旦將它捕獲就可以付諸任何用途。如果融入燃料電池，它就可以和氧重新結(jié)合而按實(shí)際需要發(fā)電；它和一氧化碳結(jié)合后會變成甲醇生物燃料；存儲得法，甚至還會像任何其他氣體燃料那樣燃燒。
要將光伏電池的動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅?，最簡單的辦法是利用該動(dòng)力來運(yùn)轉(zhuǎn)電解槽，藉以讓水（H2O）裂變?yōu)闅浜脱?。簡單或許是簡單，但也不見得怎么有效。在標(biāo)準(zhǔn)光伏電池所能捕獲的僅為15%的太陽輻射中，另有30%會在轉(zhuǎn)換過程中丟失。等你忙完這一切的時(shí)候，恐怕還是配備可充電的電池來得劃算。
鐵銹“庫存量”豐富經(jīng)電解獲取水中動(dòng)力
更加穩(wěn)妥的選項(xiàng)是物色一些廉價(jià)的導(dǎo)電材質(zhì)，它們既能完全繞過光伏電池，又能簡單易行地用太陽的光子來電解水和制造氫。
要讓一種材料直接對水進(jìn)行電解，它必須在受到光子撞擊時(shí)釋放具有合適能量的電子。當(dāng)這些電子受到足夠的激勵(lì)而撤離材料時(shí)，它們會殘留下稱之為洞孔的缺口。為了填補(bǔ)這些洞孔，水分子會捐出屬于它自身的一個(gè)電子。這樣一來，電子和洞孔就會通過相互配合而使水得以氧化并轉(zhuǎn)變?yōu)闅浜脱酢?
硅不是適宜干這活兒的工具，它的電子缺乏合適的能量。所有的材質(zhì)需要各自不同、準(zhǔn)確無誤的能量才有望讓電子掙脫原子的束縛。硅原子只需要1.11eV（電子伏特）即可松開一個(gè)電子，但是促成水裂變則要求電子至少達(dá)到1.23eV的能量。
對于實(shí)際中迫切需要的材料，可以用異質(zhì)化合物來研制。例如美國博林格林州立大學(xué)的工程師將硒化鋅和硫化鎘晶體同鉑催化劑相結(jié)合而使合適的電子得以釋放。但復(fù)雜的工藝和稀缺的材料孕育而成的裝置，因商業(yè)化成本過高而難以應(yīng)用。
于是，研究人員開始將目光重新投向鐵銹。二氧化鐵具有高達(dá)2.1eV的能源“命中率”，它還不帶任何毒性，而且非常便宜。更為重要的是，它的“庫存量”簡直豐富到無所不在的地步。
納米技術(shù)操控物理結(jié)構(gòu)成本低廉令硅黯然失色
鐵銹的穩(wěn)定性同樣十分重要。很多材料受到水裂解的腐蝕后會發(fā)生變形，但二氧化鐵在腐蝕性環(huán)境中能維持長達(dá)一年，有人認(rèn)為其耐蝕時(shí)間可能會更長，因?yàn)檎鐐惗氐蹏砉W(xué)院的克勞斯·海爾加德所描述的，“它不像是會生銹變形的樣子?！?
鐵銹不是世界上最擅長將太陽能轉(zhuǎn)變成氫的“高手”，最近的研究成果表明其理論極限值為16.8%。但光憑其來源豐富這一點(diǎn)就意味著數(shù)量是能彌補(bǔ)質(zhì)量不足的。
不過，這種“灰姑娘式”的材料依然缺失一只水晶鞋?！八駷橹沟谋憩F(xiàn)不甚理想，”加州理工學(xué)院的納特·劉易斯說，“那并不意味著我們無法讓它有更好的表現(xiàn)。”
鐵銹具有適合電解水的物理屬性，但僅憑這一點(diǎn)并不意味著它能獨(dú)力完成使命。所以，過去十年的鐵銹研究大多是圍繞著水中誘導(dǎo)電子而展開的。
需要解決的第一個(gè)問題，就是當(dāng)年讓哈迪和巴德陷于兩難困境的同樣障礙。二氧化鐵的導(dǎo)電性不是很好，無法靠自身力量將足夠的電子往外發(fā)送到更能發(fā)揮作用的邊緣上。它需要得到來自外界的刺激，一個(gè)辦法就是從所謂的串疊型電池裝置中獲取額外的太陽能。1991年，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）洛桑分校的工程師邁克爾·格雷策爾，利用為強(qiáng)化對光子吸收而用染料經(jīng)過處理的薄層二氧化鈦研制成染料敏化太陽能電池。在沒有硅的情況下，這是一條生成電流既簡易又廉價(jià)的捷徑。只要將最終形成的電流反饋給底下的鐵銹層，它們就能推出適合對水電解的正確電子。
格雷策爾的裝置前所未有地達(dá)到了4%的效率。然而，那需要另外使用2個(gè)串疊型電池。額外能量對于提升電子形成更高的能級是必不可少的。要是沒有這些能量，鐵銹就會將電子往回抽吸到結(jié)晶陣列中，趁它們尚未變純凈之前重新予以吸收。
唯一的解決辦法就是形成稀薄到足以讓電子逃逸的鐵銹層，其厚度大約為幾十納米。這在1975年甚至稍晚的90年代初期都是不可能辦到的。然而，納米技術(shù)在進(jìn)入21世紀(jì)后取得了長足進(jìn)步，不僅使得操控材料的物理結(jié)構(gòu)成為可能，也催生了不少精致得令人稱奇的解決方案。
丹尼森大學(xué)的喬丹·卡茨研發(fā)出由幾納米寬的鐵銹桿構(gòu)成的薄涂層。如此窄小的寬度賦予裝置以極大的表面積，同時(shí)也使水得以滲入銹桿間的納米微隙中。這樣可讓電子和洞孔從材料中逃逸，進(jìn)而同四周的水相匯合。但是卡茨表示，他遠(yuǎn)沒有找到一種效率達(dá)到市場需求的材料。
瑞士理工學(xué)院的研究人員找到了一條切實(shí)可行的途徑。為了協(xié)助電子逃逸，凱文·希弗拉利用“云”沉淀物創(chuàng)造納米銹，其中包括給表面噴灑霧狀的鐵溶液。這種沉淀方法會促使二氧化鐵生長成大片的森林，里面盡是呈花椰菜狀的顯微“樹木”，從而形成了那種允許電子逃走、但還可以大批量生產(chǎn)的分形表面積。
去年，希弗拉小組研制成一個(gè)工作裝置，使用的無非是玻璃這種談不上昂貴的材料。它的效率達(dá)到3.6%，與卡茨的裝置不相上下，但無需借助于額外的串疊型電池。希弗拉聲稱，不出兩三年的時(shí)間，他就能把效率提高到10%。
但是，他的目標(biāo)可能會在銹層非常薄時(shí)遇到一個(gè)悖論式問題而遭受挫折。選用任何電解材料都會面臨一個(gè)基本矛盾，那就是要同時(shí)做得盡可能厚和盡可能薄。如果希望電子有任何逃逸的沖勁，恐怕還是以稀薄為好。若要吸收盡可能多的光子，那就需要鐵銹層稍微偏厚一些。20納米的電解層只會把可吸收的光子總量吸收18%。厚度增加到1微米以后，則能將它們近乎全部捕獲，但在那種情況下又難免會形成堵塞。
為了解決這個(gè)難題，以色列理工大學(xué)的艾夫納·羅特席爾德和他的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而求助于量子物理學(xué)。他們的裝置將輸入光誘捕到30納米的鐵銹薄膜上。光子進(jìn)入裝置后被迫擠入一個(gè)以V形鏡面相向的小室內(nèi)，鏡面在那里將它們來回地折射到被吸收為止。更何況，隨之而來的是向前后傳播的光波以及它們之間進(jìn)一步增強(qiáng)吸收效應(yīng)的干擾，尤其是在靠近薄膜表面的部位上，電子和洞孔有可能在重新結(jié)合前輕易地抵達(dá)表面。裝置幸虧經(jīng)過這一微調(diào)才得以將輸入光吸收71%，同時(shí)又薄得能讓電子逃逸，最終形成了4.9%的理論效率。
按照二氧化鐵的低標(biāo)準(zhǔn)來看，那已經(jīng)是夠令人印象深刻的，卻并不完全適合用作商品原料。這里終于觸及到鐵銹的真正“天賦”，盡管它的效率低得無以復(fù)加，為什么最終還是會令硅黯然失色呢？希弗拉說，就算它絕對達(dá)不到16%這個(gè)最大值，但依然是價(jià)格低廉的，可以大批量地進(jìn)行制備。“歸根結(jié)蒂，重要的不是效率而是每瓦電力的成本?！笨ù恼f。他表示，即使效率只有10%，只要“價(jià)格公道”也會強(qiáng)于50%的光伏電池，因?yàn)槊總€(gè)表面用鐵銹涂覆一遍花不了多少錢。
而這恰恰是研究人員所追求的目標(biāo)。希弗拉認(rèn)為可以把他的鐵“花椰菜”混合物涂抹到類似墻紙的物體上，成片成片地打印出太陽能電池，無論在什么地方都可以生成氫。沙漠中孤獨(dú)的前哨基地會變成美好的家園，工藝處理可以使用經(jīng)過濾的廢水。
提供非電網(wǎng)式供能可望成為全球再生能源
當(dāng)然，在這個(gè)夢想實(shí)現(xiàn)之前還有一些問題必須解決。例如一旦水發(fā)生裂變，“實(shí)際上等于制造了一顆炸彈，”海爾加德說，因?yàn)檠鹾蜌鋾员ǖ姆绞桨l(fā)生反應(yīng)。一個(gè)更加溫和卻同樣糟糕的結(jié)局是：氫與氧只要經(jīng)過結(jié)合就會形成比先前略微更熱的水。
海爾加德的設(shè)計(jì)是用低品位的廢水將氧“吃掉”。它非但沒有變成氣體，反而同水中的有機(jī)化合物實(shí)行結(jié)合，撇下氫冒著氣泡安全地返回存儲罐。
用鐵銹獲取太陽能還剩下最后一道難關(guān)：通過制氫固然可以存儲太陽能，同時(shí)存儲本身也會帶來一定的問題。氣體的密封難度是眾所周知的，如果不依靠價(jià)格昂貴、質(zhì)地堅(jiān)固且不易受到腐蝕的材料就會隨時(shí)發(fā)生爆炸。這個(gè)問題甚至讓備受期待的氫經(jīng)濟(jì)斷送了整個(gè)前程。
研究人員始終在探索解決這個(gè)問題的一系列對策。除了不斷改進(jìn)燃料電池的質(zhì)量外，還有多種新穎的方法正在醞釀之中，例如澳大利亞新南威爾士大學(xué)的研究人員最近利用納米硼氫化鈉進(jìn)行存儲。鹽按慣例必須加熱到550℃才會釋放存儲在化學(xué)鍵中的氫，但它在納米尺度下經(jīng)過誘導(dǎo)達(dá)到50℃時(shí)就會這么做。這對于按多種規(guī)格攜帶氫來說是一個(gè)大有前途的進(jìn)展。
雖說大有前途，但未必有這個(gè)實(shí)際需求。就地存儲、燃燒起來像篝火的簡裝氫氣罐也有異曲同工之妙。太陽儲能公司經(jīng)理布賴恩·霍爾科洛夫特認(rèn)為，這正是它可望在像肯尼亞那樣陽光明媚、但能源基礎(chǔ)設(shè)施匱乏的國家立即找到的用武之地。他和瑞士理工學(xué)院合作的結(jié)果，是利用串疊型電池和二氧化鐵設(shè)置為公司提供了非電網(wǎng)式的能源解決方案。他希望這些裝置同樣能推廣到發(fā)達(dá)國家的房屋頂上，使擁有這種裝置的人不必通過電網(wǎng)就能獲得氫燃料和電力。
也許，它們并不需要串疊型電池。數(shù)十年來對鐵銹電子誘導(dǎo)水裂變這個(gè)過程的洞察，確保了哈迪和巴德獨(dú)辟蹊徑的夢想必定會從過去一直延續(xù)到未來，靠的是效率不見得高超、但配備以相應(yīng)儲能設(shè)施的鐵銹光電裝置。
“如果全然不在乎效率的話，那么鐵銹電池是可以通過運(yùn)作而制造燃料或發(fā)電的，也可以同時(shí)兼顧兩頭?！笨ù恼f，“它可以在白天電力需求達(dá)到高峰時(shí)發(fā)電，需求不高時(shí)則代之以燃料生產(chǎn)?！笨紤]到太陽能的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)，哈迪和巴德在1975年開掘的細(xì)微電流還可能衍變成一種覆蓋全球范圍的再生能源。也許，現(xiàn)在該是進(jìn)入“鐵銹時(shí)代”了。
