通过石油化工科技提高太阳能利用技术
上图显示了如何通过电解产生氢气以此来作为一种可储存再生能源的方法。白天太阳能电池板供应过剩的电力用于电解产生氢气。夜间，氢气将与来自空气中的氧气结合，以此来发电(Jakob Kibsgaard)。 Stanford的化学工程师设计了一种催化剂，该催化剂有助于通过电解产生大量的纯氢——这一过程是通过水中导电将水分子中的氢和氧分离。 如今，纯氢或者氢气一般是来自于天然气的一种主要的化工商品。每年都有数以千万吨的氢被生产出来，在石油炼制和化肥生产中工业氢气很重要。 化学工程师Thomas Jaramillo教授以及其研究助理Jakob Kibsgaard希望通过电解法，做到诸如从水中产生氢气并且使用这个过程去储存太阳能。不过，要实现工业化的水分解，他们必须找到一个更具成本效益的方法。 在课堂上做电解试验是很简单的：将两个金属电极放入水中；电流通过这些作为催化剂的电极将水分解成为氢气与氧气。 铂是通过水电解产生氢的最佳催化剂。但是，为了使水电解工业化，必须找到一种便宜的电极。Jaramillo说：“我们正努力在不使用贵重金属的前提下以尽可能有效的方式生产氢气”。 在German scientific journal Angewandte Chemie杂志中，Jaramillo和Kibsgaard介绍了一种便宜的，耐用并且高效的催化剂，这种催化剂可以代替铂。 他们追求的目标不仅仅是利用电解法取代氢目前的市场需求。 现在，还没有具有成本效益（高性价比），大规模的方式来储存太阳能。Stanford大学的研究人员相信，电解法可以把罐装水（水箱）变为储存太阳能的电池。白天，天阳能电池的电力可以被用来分解水中的氢和氧，重组这些气体会产生电力供夜间使用。 它是如何工作的 电解法是使用电流破坏水分子（H2O）中的化学键。 破坏水分子的化学键会产生氢离子——一种没有电子平衡的质子。一种良好的催化剂可以使质子不断聚集，直到它得到一个电子在催化剂的表面形成氢原子，然后与相邻的氢原子结合，形成氢气气泡。 关键是找到一种具有合适粘性的催化剂。 Jaramillo说：“如果结合力太弱，离子就不会聚在一起。如果结合力太强，他们就无法脱离形成原子。” 铂是完美的催化剂但是却很昂贵。去年，Stanford的工程师们发现：有一种硫化钼，是一种广泛应用于石油化工加工的催化剂，作为廉价而高效的铂的替代品是非常合适的。 Jaramillo说石化加工与电解很相似，那是因为石油的原料诸如沥青砂，含有重分子这样的重要组成部分。炼油厂通过利用催化反应（这种反应与生产氢原子的过程很相似）把这些重分子分解成像汽油一样的轻分子。 同样地，电解法是指分解水分子或者打破它们的化学键。Stanford大学的工程师们试图改善他们自己所设计的催化剂，他们通过参照石化加工手册找到了一个从水中分解出氢气的更好的办法。 石油加工过程往往涉及处理含硫的燃料以减少酸雨的形成。在这样的处理过程中，一些硫原子会渗入到石油加工催化剂中，增加这些催化剂的活性。 这便使得Stanford大学的工程师产生了一个想法：假如将在一种良性催化剂中参入一些硫原子，那么会不会变成一个效率更高的电极来产生纯氢呢？ 他们选择将硫原子添加到被称为磷化钼的催化剂中，这是已知的通过电解法加速氢的生产。加入硫原子相当于创造了一种新的催化剂——磷硫化钼——这种催化剂比之前用的更有效。 新的含硫催化剂更耐用，这是一个至关重要的工业过程，其中电极必须夜以继日地工作，无降解，就像贵重金属铂一样。 由Kibsgaard和Jaramillo所开发的磷硫化钼催化剂是一个重大的进展。作为制造电极的材料，其效率的稳定性接近铂。 现在，Jaramillo课题组的成员正在致力于改善这种催化剂。例如，他们正在设计纳米级的材料使催化反应更加效率。其他研究计划包括将这种催化剂加入到未来能源储存系统的实用原型机上。该想法是利用水电解产生氢气的方法来储存太阳能，之后到了晚上将氢气与氧气结合成水，在这一过程中产生电力。 Jaramillo指出虽然这过程中的结论与现有的科学论文都追求环保节能，但是这些都是基于来自石油化工厂的理念。 他说：“将科学研究在真正不同技术领域之间的结合是令人兴奋的。” 以上资源来自于斯坦福大学
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