当今人类社会消耗能源已到了空前的水平,据统计,全世界年消耗碳氢化合物已达60亿吨,单石油一项,就耗费50亿吨,如保持这个水平消耗,不消200年,全世界蕴藏的石油、煤、天热气等都将枯竭。因此,科学家已把研究未来能源提到了工作日程上来了。
那么,最有希望的未来能源是什么呢?
科学家们把目光集中在那司空见惯的水上。大家知道,水由氢和氧两种元素组成,水分解后可得到氢气和氧气。氢气是可燃的,它有燃烧值高、无污染等优点,是一种理想的燃料,而氧气又能助燃。目前有一种氢氧电池就是利用氢气的可燃性和氧气的助燃性来发电的,这种电池发电后又生成水,不仅没有污染面且还可循环使用。
困难的是,目前一切分解水的办法如电解法、等离子馅等,都有成本高的缺点,因此,为了使水能成为理想的能源,必须找到一个廉价的分解水的方法,这种方法能找到吗?
绿色植物的光合作用给人们以有益的启示。
20世纪50年代后,美国卡利文等科学家用同位素示踪原子的方法,基本上探明了绿色植物光合作用的机理。植物靠自身独有的催化剂——酶,能顺利地利用阳光,把根部吸收来的水分解成氢和氧,其中氢用来还原从叶吸收来的二氧化碳,生成碳水化合物。最后,氧以氧气形式释放了出来。人类和世界上的一切动物就是依靠植物的光合作用所“生产”的食物和氧气而生存的。因此,科学家也想模仿绿色植物,用太阳光分解水来制备氢气和氧气。
20世纪60年代以来,美、英和日本等国的科学家竞相开展对这项工作的研究,然而,他们都碰到了一个共同的难题,因为,绿色植物是靠酶催化光解水的,但酶的结构复杂,生性娇嫩,人类目前还无法大规模地合成酶,更不能有效地使用它,因此,要利用太阳能来分解水,必须找到像酶那样的催化剂。
经过数十年的努力,1986年美国年轻的化学家斯克拉齐克和康特拉终于找到了一种接近于实用的催化剂,他们用二氧化钛-铁作阳极,白金(铂)作阴极,将两者放入水中,在太阳光照射下,在阳极可得到氧气,在阴极可得氢气。在此基础上美国得克萨斯农业大学的劳伦斯教授又改进了这一催化系统,他把光解水的产率提高到12%~13%,据有关报道说,如果这项实验能够投入生产,那目前美国市场上的氢气价格可下跌1/3。从此,氢氧电池也可进入千家万户了。
太阳能是取之不尽的,水又是用之不竭的。用太阳能将水分解成氢和氧,而氢氧又可结合成水,如此循环不息,可以源源不断地为人类供应能源,岂不妙哉。
当然,要实现这一目标,困难尚多,但是,它应是人类未来最有希望的能源。
人们期待着科学家的捷报!
为什么说重水是“潜在的能源”
近年来,重水已被科学家称做“潜在的能源”,因为重水所蕴藏的能量极大,人类迄今仍无法直接地利用它,所以,开发重水这个潜在的能源是化学家探索的一个大课题。
先让我们看看重水潜在的能源有多大吧!
重水是氢的同位素“重氢”(氘)与氧组成的。氘原子不稳定,如果各自结合一起,就会发生聚变生成氦。同时放出巨大的能量。这在化学上称之为热核反应,能量实验证明,上面反应每生成4克氦,就会放出6.5×108卡(1卡=4.2焦耳,下同)热量。大家知道,威力强大的氢弹就是根据聚变反应的原理制成的。如果把1千克的氘通过聚变反应,它放出的能量相当燃烧4万吨煤放出的能量。1亿千瓦小时的电量,这比1亿千克铀裂变放出的能量还大20倍。
在天然水中,7000个水分子中平均含有一个重水分子。由于18克水约有6.03×10个水分子,这样,不难算出1升(1升=1立方分米,下同)水平均含002克氘,它能放出相当于400立方分米煤燃烧所放出的能量。在地球表面约有13.8亿立方千米的水,不难算出整个地球应蕴藏氘25万亿吨,它的能量相当5万亿亿吨石油和10万亿亿吨煤所燃烧的能量。如果把它利用起来,按目前能源消耗水平(每年50亿吨煤),那么,它可供人类利用10亿年,由此可见,重水所蕴藏的能量确是一笔巨大的能源。
那么,这么大的能源人类为何迄今不去开发呢?原来,这里有一个重大技术奥秘未能揭开。
虽然,人们已能从重水中制得氘,也可以用它制成威力强大的杀人武器——氢弹,但是迄今仍无法将它用到生产和生活上。
这又是为什么呢?
原来,氘的聚变能量虽然大,但是引发后,能量便在瞬间释放了出来,使人无法控制它。这好比一匹脾气暴烈的野马,不易为人驾驭那样。如果要使氘的聚变能应用到生产上,那么必须使它变为日常应用的电能,机械能那样,易为人们驾驭。
把氘的聚变能应用到生产和生活中,是各国科学家研究的重要课题,但是多年来进展不大。据最近报道,美国科学家已用激光引发氘聚变可减慢聚变的速度,这真是可喜的一步。
目前有人设想,用吸附法廉价地把水中的重水提取出来,再用有效的催化剂把重水分解成氘,再让氘聚变,使它慢慢地放出能量,再让它来发电,如果有一天能做到这样,那么人类至少10亿年不愁能源枯竭了。
如何开发重水这个潜在的能源,人们期待着科学家们拿出锦囊妙计来!