一、太陽概述

　　能源作為世界經濟的轉換制氫命脈，社會發展的太陽動力，受到了各國的轉換制氫高度重視。然而，太陽占世界能源供給90％的轉換制氫化石燃料其儲量在日益枯竭。已探明世界原油可供再利用50－80年，太陽煤可供再利用200－300 年，轉換制氫天然氣可供再利用100年。太陽 化石燃料的轉換制氫使用導致了嚴重的環境污染。化石燃料燃燒放出的太陽CO2是最重要的溫室氣體。近100多年中，轉換制氫全球地面平均溫度上升了0.3－0.6℃，太陽海平面上升了14－25cm。轉換制氫 化石燃料分布不均、太陽儲量有限。由它引發的戰爭與沖突屢見不鮮。伊拉克戰爭的爆發讓人們更為擔心世界石油的供應。面對傳統的化石燃料近于枯竭，由于燃燒礦物燃料做成的全球氣候變暖日益加速，世界很多城市的市內空氣質量下降，為爭奪能源地區政治不穩定日益加劇等諸多威脅人類社會生存與發展的問題，我們不得不思考：人類未來的出路在哪里？人類明天能源將會是什么呢？ 早在半個世紀以前，法國科幻小說家凡爾納在其小說中就預言，有朝一日社會將通過以氫為基礎的能源而被徹底改造。

　　氫氣作為一種清潔、高效和豐富的新能源已漸為世人所共識。它具有以下優點：

　　1．清潔。氫氣燃燒過程中只產生水對環境沒有任何污染，實現真正的“零排放”。

　　2．貯能高。燃燒1克氫可以放出14萬焦耳的熱量，約為燃燒1克汽油放熱的3倍。

　　3．使用效率高。采用催化燃燒氫氣燃燒產熱，比常規化石燃料的熱效率高10－15％；用于內燃 機產生動力，比汽油效率高15－25%。

　　4．來源豐富。占地球表面71％的水中含有大量的氫，資源非常豐富。

　　5．便于運輸。輸氫成本最低，損失最少。一條直徑0.91米的輸氫管道，用于950－1600公里輸 氫，其所輸送能站相當于50萬伏高壓輸電線路所輸能量的10倍以上。而建設這樣的輸送管道 所需費用，僅為建設高壓輸電線路的1/2－1/4。

　　6.用途廣泛。用氫代替煤和石油，不需對現有的技術裝備作重大的改造，現在的內燃機稍加改裝 即可使用。還可用于燃料電池，或轉換成固態氫用作結構材料。 因此，隨著“氫經濟”時代的到來，人類社會亟待尋求經濟有效的，可以實現工業化生產的制氫技術。

　　二、制氫技術

　　2．1傳統制氫技術

　　傳統的電解水制氫技術電耗過高，一般約為4．5kw/m3H2，成本過高不利于氫氣使用技術的普及。而用火力發電的方法同樣造成虧染。 此外，采用化石燃料裂解方法制氫，在產生氫氣同時還有大量的CO2生成，同時化石燃料本身是不可再的。與當今世界共識的可續發展背道而馳。

　　2．2太陽能--氫能轉換

　　太陽能是地球上能量的最終來源，既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染。地球上卜海水資源十分豐富，通過太陽能把海水中的氫釋放出來，經利用后又生成水，不對環境造成任何影響，不失為一條環保可持續的方法。

　　常規的太陽能--氫能轉化通常有三種方法：

　　（1）太陽能電解水制氫。其能量的利用得不償失（如2．1一節所述）。

　　（2）太陽能熱分解水制。生達到3000K以上的高溫水的氫氧才能分解，這需要大量高倍聚光器意味著大面積土地和空間被占用，同時也是對景觀的一種污染。

　　（3）太陽能熱化學循環制氫。在較低溫度（900－1200K）就能進行，但大量中間物的使用影響著氫氣的價格并造成環境污染，這不是我們提們的入法。 水中氫和氧結合非常牢固。要釋放出氫需要很高的能量，同時考慮對環境的作用尋找合適的太陽光分解水催化劑，通過光合作用或模擬光合作用制氫是可行之道。

　　2．2．2太陽光絡合催化分解水制氫

　　科學家發現一（聯吡啶釘絡合物的激發態具有電子轉移能力。日本產業技術綜合研究所的中國籍科學家研制出一種新型的光催化劑，它由鋼鉭氧化物組成，表面有一層鎳氧化物。這種催化劑在可見光波段起作用。 利用催化劑的化學活性，在太陽光的照射下吸收光能，產生電荷的分離、轉移和集結，與水的電離反應狀聯，把集結的電荷轉移給H+從而釋放出氫氣。因此，應選擇易發生電荷分離的、多電子的。具有電行集結和轉移能力的物質作為該過程的催化劑。錳、鉻、鎳、姻、擔的雙核或多核三聯吡啶釘絡合物作光解水制氫的催化劑。 采用曲率適當的透明球形密封反應器可以最大量地吸收太陽光和收集氫氣，反應器內壁附著一層出納米技術處理其表面結構制成某三聯吡啶釘絡合物催化劑。為了提高反應器的效率，在反應器內適當增加吸光板，以增加吸光面積和反應接觸面，吸光板下部裝上清掃刷，通過固定轉軸與反應器底部相連。反應原料（水）在壓力作用下從反應器表面和吸光板上進人反應器，以利于生成的氣體及 時釋放出去，同時可把由于水量減少，飽和沉淀出的溶質洗到反應器底部，以防止氣泡和溶質隔離水和催化劑，減小反應效率。吸光板在進水作用下以適當的速度旋轉，使氣體盡快逸出。在此動力作用下，清掃刷不停清掃底部淤積的溶質于反應器帶的容器中，溶質可定期從容器中取出。反應器可安裝在低于海平面處，利用水壓自然驅動。不用額外提供動力維持反應器運行。

　　2．2．3利用光合作用制氫

　　植物在光合作用過程中，可利用太陽光將水分解為活潑的氫和氧，再利用活潑氫同二氧化碳作用合成有機物。愛默生（Emerson R）發現光合作用是兩個系統的協同作用，即光系統 Ⅰ（PSⅠ）和光系統Ⅱ(PSⅡ)。美國田納西大學環境生物技術研究中心和橡樹嶺國家實驗所的研究人員已成功將光合系統Ⅰ與光合系統Ⅱ分離開來，即去掉光合系統Ⅱ和連接結構，并在光合系統Ⅰ的一側涂上一層鉑原子，在加人電子給予體后成功地制造出氫氣。 我們可以這樣設想：利用光合作用的兩個系統從水中釋放出活潑氫和高能電子，同時阻斷活潑氫同二氧化碳生成有機物的過程，并把高能電子導出給活潑氫使之還原為氫氣。要使這一設想稱為現實，有兩個技術關鍵需要解決：一是怎樣使反應既產生活潑氫和高能電子，又不會消耗活潑氫生成碳水化合物。愛默生提出光合作用的兩個系統各自吸收不同波長的光，進行不同的特征反應。PSI的反應是長波光反應，其主要特征是NADPH的還原：PSⅡ的反應是短波光反應，主要特征是水的光解和放氧。可見活潑氫的產生和還原在不同的系統中進行，因此，分離兩個系統讓它們單獨作用是可行之的。實際上美國研究員已完成這步的工作，并證明是可行的。

　　另一個技術關鍵問題是如何導出高能電子并傳遞給活潑氫，即怎樣把分離的兩個系統“

　　從頭到腳”重新連接起來，從而使光合系統Ⅰ可以直接利用光合系統Ⅱ分解水分子過程中產生的電子。我們知道光合作用產生的高能電子要經過復雜的電子連傳遞才能被利用，而從電子的產生到被利用是在 10－15－10－12秒內完成的。如此短的時間想要直接導出電子顯然不可能。不過，我們可以設想利用磁場作用來解決這一問題。首先，需要提供一個強度足夠大的勾強磁場并保證磁場的邊界性，以保證電子有確定的偏轉角；其次，得為電子提供一條合適的通道。光合系統Ⅰ和光合系統Ⅱ都是極其微小的，要建造這樣小的勻強磁場同時保證其邊界性還要提供一條足夠小的電子通道，其技術難度相當高。電子的運動方向的不確定性，決定最終的前進方向的不確定性，這將影響電子導出效率。那么導出電子有效可行的方法在哪呢？除草劑的原理讓我們看到了希望。除草劑能夠與電子傳遞鏈中某些物質相結合，從而阻斷電子傳遞，阻斷光反應，阻斷了光合作用，導致植物死亡。我們可以設想，同樣可以利用某種物質（可能具有除草劑類似的結構）同電子傳遞鏈上的某種物質結合以阻止其電子傳遞，同時用電子受體代替這種物質導出電子并傳遞給活潑氫。理想的電子受體是既能夠吸附活潑氫有能傳遞電子，使活潑氫在它表面接受電子還原成氫氣。因此，該課題的研究可以從吸氫材料和及其電子傳遞機理人手，適宜的吸氫材料可能是含有某種活潑金屬(如Ti、Fe、Mg等）和非金屬（如 P）的合金。

　　3小結

　　氫氣將取代化石燃料成為人類未來主要能源之一。太陽能一氫能轉化和生物制氫是氫氣工業化生產技術發展的方向。在已有研究成果的基礎上，通過分析光合作用過程，大膽提出“氫經濟”下的太陽能一氫能轉化方法，提出了太陽能絡合催化水制氫的反應裝置。生物制氫的原料可以是工業和生活有機廢水，通過發酵細菌可以獲得氫氣，同時凈化水質。既能處理有機廢水，又保護環境，獲得清潔的氫能源，是一條可持續發展的路子。 仍然有很多實際的問題，比如光催化劑的催化原理，怎樣生產具有催化活性的反應器及吸光板，如何使電子受體接受電子等還都有待于深人研究。但“氫經濟”即將成為必然，而清潔高效的氫氣生產技術的工業化必將在遠的將來成為現實。有理由相信，人類社會告別化石燃料時代的時間不會太遠，基于可再生清潔能源生產和使用技術之上的可持續發展之路，將是一條光明大．