七大颠覆性技术将助力破解未来能源危机(组图)

液体燃料太阳能燃料

　　撰文 戴维・ 别洛（ David Biello）

　　太阳每一个小时照射到地球上的能量，就比人类一年消耗的能量还多。如果科学家能够将过剩太阳能转化为液体燃料，哪怕只是一小部分，就能解决我们对化石燃料的依赖，以及由此带来的种种问题。“如果能有效、经济地利用太阳能来制造化学燃料，就能彻底改变能源现状，”美国加州理工学院人工光合作用联合研究中心主任内森？ 刘易斯（Nathan Lewis）评论说。

　　其中美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）开展的一项尝试非常吸引人。他们在新墨西哥州的沙漠中安装了一些直径6米的圆盘状镜面，能将太阳光聚集到安放在盘面前方的一个半米长、形状像啤酒桶的圆柱形仪器上。太阳光被这些镜面聚焦后，从仪器表面的一个窗口射入，照射到里面12个以每分钟一圈的速度旋转的同轴圆环上。圆环的边缘是以齿状排列的氧化铁（铁锈）或氧化铈，它们依次旋转进光束，并被加热到1 500℃，如此高的温度能驱出铁锈里的氧。当转到反应室较冷的暗处时，它们又能从注入反应室里的水蒸气或二氧化碳中把氧吸回去，剩下富含能量的氢气和一氧化碳。

　　这样产生的氢气―一氧化碳混合气体被称为合成气（syngas），它是化石燃料、化工原料甚至塑料在分子层面的基本原料。燃烧生成的合成气所释放的二氧化碳，还能被该过程全部吸收。美国高级研究计划局能源项目部主任阿伦・麦琴达尔（Arun Majumdar）评论说，这种太阳能燃料系统“可谓一石四鸟”，即带给我们更清洁的能源供应，更高的能源保障，更低的二氧化碳排放和更小的气候变化影响。

　　在其他地方，例如瑞士联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology）和美国明尼苏达大学，研究人员也在研发生产合成气的设备。还有一些新兴公司同时在寻求其他途径来达到类似目标，例如位于马萨诸塞州的Sun Catalytix公司将一种廉价催化剂泡入水中，并利用太阳能电池板产生的电力，来制备氢和氧，新泽西州Liquid Light公司将二氧化碳气体导入一种电化学反应池来产生甲醇。此外，刘易斯本人也正在研制一种“人造树叶”（参见《环球科学》2010年第11期《人造树叶：阳光变燃料》），它由一种半导体纳米线制成，能利用阳光将水分解成氢和氧。

　　当然，主要困难还是在实际应用上。在桑迪亚实验室，齿状氧化物总是破裂，阻碍了反应进行。“你让（氧化物）材料在1 500℃和900℃之间来回转，这对它们的要求很高，”亚利桑那州立大学LightWorks计划主任、未参与该项研究的化学家加里・德克斯（Gary Dirks）评论说。下一步计划是，在纳米尺度上加固氧化物的结构，或找到更合适的材料；圆盘状镜面的高昂造价也需要降低。根据桑迪亚实验室研究人员的计划，他们的合成气制造机能够生产出成本为10美元/加仑（约2.65美元/升）的燃料。“我们并非做不到这一点，但我们还有很长的路要走。”化学工程师詹姆斯？ E ? 米勒（James E. Miller）说，他也是这项技术的发明者之一。

　　电力生产

　　量子光电池

　　热电子能让太阳能电池的效率翻番

电力生产量子光电池

　　撰文 JR ・ 明克尔（ JR Minkel）

　　目前市场上的太阳能电池，只能将接收到的阳光能量的10%至15%转化为电能，以致发电成本居高不下。原因之一是，单层硅吸收阳光的效率，理论上限大约是31%（实验室中最好的光电池可以达到26%）。而对半导体晶体（或称为“量子点”）的新研究表明，这一理论上限可以提高到60%以上，这为开发低成本发电设备带来了希望。

　　在传统光电池中，硅中的电子被射入的光子击出而成为自由电子，能够自由地流入导线，从而产生电流。不幸的是，阳光中许多光子能量太高，当它们击打到硅上时，会产生一种“热电子”，它们会以热的形式迅速损失能量，在被导线捕捉到之前又重新回到初始状态。如果能在热电子冷却前就捕捉到它们，那么光电池的效率上限就会翻一番。

　　解决方案之一是降低电子的冷却速度，为捕捉它们赢得更多时间。去年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的化学家朱晓阳（Xiaoyang Zhu，音译）和同事将注意力投向了一种量子点，每一个点只包含数千个原子。他们将硒化铅量子点沉积在一层导电的二氧化钛（一种普通材料）上。当光线照在上面时，所产生的热电子损失能量所需的时间要比原先长了1 000倍。美国圣母大学（University of Notre Dame）的普拉山特・卡马特（Prashant Kamat，未参与此项研究）评论道，朱晓阳的团队“确实证明了这一设想是可能实现的”。

　　然而，延缓电子能量损失仅仅是一个方面。目前，朱晓阳的团队正在寻找能让导体将尽可能多的热电子转化为电流的方法，这样，导体本身才不会将它们以热量的形式吸收。

　　在最终得到实用的太阳能电池之前，还有许多困难需要克服。朱晓阳说，“我们需要建立一整套物理理论”，包括热电子究竟如何冷却，它们怎样流入导体等等。他说：“一旦解决了所有这些问题，我们就会知道最终应该使用什么材料。” 朱晓阳预计，这项工作“需要一些时间，但是我有信心取得成功。我希望看到这些新型太阳能电池板安装在自家屋顶上” 。该项目的商业回报将十分可观