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电动车还没火就要凉了?日本科学家发现一种神奇的催化剂!

近日,《自然》杂志发表发表了一项可能改变燃油车命运的新发现,来自东京大学的科研人员发现了一种神奇的催化剂,在该催化剂的作用下,用光来分解水产生氢气的效率可以达到96%。
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要知道,过去光分解水产生氢气的效率基本在10%以下,而这一次的研究成果却达到了96%,估计连东京大学的研究人员都感到惊讶。
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那说到这里,估计很多人会对氢能源产生兴趣,氢为什么是石油的潜在替代者?氢能源在汽车领域的运用如何?相比锂电池,氢燃料电池又有什么好处?
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1、能量密度更高
判断一种燃料好坏的最直接的方法就是看其能量密度,“能量密度”一般指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小,能量密度越高的燃料,在工业上运用上往往更划算。
千万不要小看这“能量密度”,人类社会的每一次飞跃都基本都与它有关。
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自人类诞生以来,主要通过木材作为燃料,但木材能量密度小,人类社会在很长一段时间内都发展缓慢。直到十九世纪,随着工业革命的到来,煤炭成为主要燃料,人来社会发展就像坐上了快速列车。而到了20世纪初期,石油逐渐取代煤炭的地位,成为主要的燃料,人类社会的发展速度就像坐上了高速列车。
从能源的密度来看,煤炭比木材大数倍,石油又比煤炭高出约1.5倍,所以人类几乎是每使用一次能量密度更高的燃料时,社会就会进入一个飞跃式的发展。
要知道氢的能量密度是石油的3倍左右,也就是同等重量下,其燃烧产生的能量是石油的3倍左右,试想一下,如果氢将来取代了石油,成为人类主要燃料,那么人类社会或将迎来又一次飞跃式发展。
2、更清洁环保,并且可再生
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H2(氢气)和氧气(O2)燃烧的化学方程式
就目前来看,氢能源无疑是目前最环保的能源之一,它燃烧后的产物只有水,可以实现真正意义上的零碳排放、零污染气体排放,对于遏制全球变暖、雾霾、空气污染等问题,都是非常好的解决方案。
相比石油,除了更环保之外,它还是可再生能源,可谓取之不尽用之不竭,不用担心能源危机问题。
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氢气是一种能量巨大,不易存储且易燃易爆的气体,一旦混入一定比例的空气,一遇到明火或高温就会爆炸,所以氢气不能像石油那样,直接作为内燃机的燃料,因为发动机工作时,气缸内瞬间的温度可达1500-1800℃。
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在这样的背景之下,氢燃料电池汽车诞生。氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置,其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。
没有化学基础的估计难以理解其原理,简单来氢燃料电池就是一种能量转化装置,只需向装置内加入氢气,就可以产生电。另外,燃料电池的做工比氢气单纯燃烧的效率高2-3倍,且安静无污染。
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也正是因为看到了燃料电池的前景,所以多年来,丰田一直将零排放的战略押在了氢燃料电池上。并且在2014年推出了家族首款量产的氢燃料电池车Mirai。
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搭载在Mirai上的这套氢燃料电池,就像一个小型发电站,通过氢气和氧气的化学反应便能产生电,不像其他纯电动汽车那样需要充电,没电了只需添加氢气即可。
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Mirai的动力系统由氢燃料电池、电动机、蓄电池和高压储氢罐组成,结构相对比较简单,其中氢燃料电池就像一个小型发电站,通过氢气和氧气的化学反应便能产生电,不像其他纯电动汽车那样需要充电,没电了只需添加氢气即可。
除了结构简单外,整套动力系统的工作原理也比较简单,气罐内的氢气和空气中的氧气在燃料电池内发生化学反应,产生的电能传输给电动机,然后用于驱动车辆,多余的电量则保持在蓄电池中。整个过程有点类似理想ONE的增程式系统。
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Mirai搭载了两个储氢罐,总容量为122.4L,最多可加载5kg氢燃料,加满大概3-5分钟,官方表示满气状态下可行驶550km左右。
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1、加氢速度快,一般3-5分钟就能搞定,和加汽油一样快捷,而纯电动车的充电则是一个缓慢的过程,即便特斯拉推出了超级充电桩,但从低电状态到充满状态,也要80分钟左右。
2、氢燃料电池的成分主要是氢气和氧气,发生化学反应后的产物也是无毒无害的水,而且氢燃料电池寿命到期后,也不会像锂电池那样因为含有多种重金属,如果处理不当,极可能对环境造成重大污染。
3、氢燃料能量密度大,以Mirai为例,5kg的氢气就能行驶550km左右,以综合续航里程相近的Model3
长续航版为例,其电池包的重量接近500kg,比前者重了约100倍,虽然Mirai的燃料电池、储气罐、蓄电池还有一定的重量,但总的来说,在电池这一块,燃料电池会比锂电池更轻。
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虽然氢燃料车相比传统燃油车和纯电动车存在诸多优点,但为什么不能普及开来呢?这还得从氢能产业链说起。
就目前来看,氢能产业链包括氢气制造、氢气储运和氢气应用三大部分,目前最大的困难应该是卡在了制氢和存储这两个环节。
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我们知道,发展燃油车,前提要有充足的汽油、柴油;发展天然气车,前提要有充足的天然气资源;发展电动车,前提是有丰富的电力资源。同理,发展氢燃料电池车,前提必须是拥有足够的“氢气”。
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目前工业制氢气法主要包括焦炉气中取纯氢法、天然气制氢法、甲醇裂解制氢法和电解制氢法四种。但它们各自都存在缺点,要么成本高,要么污染环境,要么效率低,要么制造出来后,存储和运输是个问题。
正是因为主流的制氢方法存在诸多问题,所以科学家通过各种努力,尝试其他方法制氢,其中被给予厚望的就是前文提到的光电解水。当光照射到水面后,利用催化剂的中间作用,把水分解成氢气和氧气。
因为阳光和水在地球上基本随处可见,而且整个过程非常清洁,对环境影响很小,如果方案可行,不仅解决了制氢问题,还可以解决运输问题,可谓一举两得。但该方案有个致命缺点,就是效率低,通常在10%以下。
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光解水是一个比较复杂的化学过程,当阳光照射到水中的催化剂时,其内部就会产生大量的正负电荷,而当这些电荷冲出催化剂与水接触时,就会把水分解为氧气和氢气。
但通常来讲,在催化剂内部生成的正负电荷并不会乖乖跑出来,大部分的正负电荷都会碰到一起,相互结合,并发出热量,这个过程叫做电荷重组,这样一来,能够参与分解水的电荷就少了,所以效率自然低了。
而上文中提到的东京大学研究人员,就是要解决这一难题。他们发现一种叫做钛酸锶的晶体材料,在光的照射下,正负电荷会规规矩矩的朝着晶体面板的不同方向聚集,就像课间上厕所一样,男生都往男厕所跑,女生都往女厕所跑。这样一来,大大减小了电荷重组的现象,与水接触的电荷自然就增加了,所以电解水的效率也提高了。
研究人员进一步发现,在波长350nm和360nm的两种紫外线波段照射下,催化剂能够把接近96%的光能用来分解水,距离100%的转化率已经非常接近,相比以前提升了近10倍。
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当然,这一实验距离真正的落地还有一段距离,因为该转化率只是在特殊波长的紫外线(紫外线波长400-10nm)照射下才实现的,而在波长400nm以上的可见光照射下,转化效率又迅速下降到了10%左右。要知道,地球表面因为有臭氧层的保护,紫外线基本都被挡在了外太空,所以这个运用距离真正的投产还有一些问题需要解决。
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东京大学的这一次重大发现,虽然还只是实验数据,并且因为紫外线等外部因素的影响,距离真正的投产还有一定距离。但如果科学家沿着类似的思路,继续不断探索,或许高效率的光解水方案真的能落到实处。那到时候,或许就又是人类历史上一次能源变革,而那时候燃油车或者纯电动车,就会受到前所未有的挑战。
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