太陽能的希望何在? (2)

太陽能的希望何在? (2)
知識通訊評論第70期

加州理工學院格雷

成功催化

在製造氫氣方面，格雷目前的研究頗有斬獲。他的催化劑是一個鈷的分子，它真的很有用，也有很不錯的效率。當然這也取決於對於效率的期望。在催化反應 中，轉換速率(turnover rate)是用來量測每秒有多少受質反應物被轉換成產物。植物裡用來催化同樣反應的氫化酶(hydrogenase enzymes)的轉換速率，大概是每秒六千，但格雷的催化劑效率仍比氫化酶低了一千倍。「我們證明了它的原理，但還有一條很長的路要走。」格雷說。

劍橋麻省理工學院諾色拉發展的產生氧氣的催化劑，被認為是最困難的挑戰。諾色拉團隊由一些與便宜金屬相關的貴重金屬入手，這是化學家常用的一個小伎 倆。先選定一個可能可以用的金屬，看看它在周期表中的位置，然後下移一行找到相關的，較重也較貴的金屬，它的反應發生的較慢，因此更容易研究。

諾色拉之前在研究鐵元素正下方的銣。他說他希望能夠運用從鐵、銅或鎳系統中所學到的，用來研究銣，也很有信心這個轉換研究很快會有結果，在五年之內找出一個能運用的系統。

倫敦皇家學院的化學家杜蘭(James Durrant)也在探究能分裂水的材料。對於諾色拉找尋便宜催化劑面臨的化學難題，他知之甚詳。「氧化水是一個很難搞的化學反應。」他說，這個催化反應 牽涉到分子的經歷好幾個電子傳遞過程，這方面所知甚少。「要分子傳遞一個電子已經很不容易，更不用說第二個電子了。」阿特瓦特解釋道。

這是因為把太陽能加入水中，然後把能量綁到具有更高能鍵的分子上(氫氣和氧氣) ，在熱力學上認為是一個上坡的過程。在這個爬上坡的困難大部分發生在製造氧氣的那一端。要產生單單一個氧氣分子，就需要分裂兩個水分子，而這整個過程就牽 涉到四個電子和四個質子。「這可是一大堆電子和質子，」諾色拉說。基於這個理由，諾色拉說他不想單純模仿光合作用。「大自然花了二十億年的時間演化，」他 說，「我不認為在二十年內就可以做到。」

其他的化學家仍想用他們自的辦法來打敗大自然。由瑞典烏普撒拉大學(Uppsala University)的史岱霖(Stenbjorn Styring)統合的十幾個歐洲研究團隊，形成了「太陽-—氫」網路(Solar-H network)，並得到歐盟的資助。他們仔細檢驗大自然的光合作用，希望從中得到靈感。

為了捕獲太陽能，「太陽—氫」團隊利用一個銣為中心的分子，來吸收與葉綠素所吸收相近波長的陽光。其中最困難的問題，也就是氧氣的催化劑，「太陽— 氫」團隊轉向光合系統二(photosystem II)的核心，那是一個包含了四個錳原子的分子，通常稱為生氧化合物(oxygen-evolving complex)。

史岱霖已經在這個問題上研究十五年了，他已經證明了我們不需完全模仿生氧化合物的構造，他反倒認為只要兩個錳原子就夠了。史岱霖說他們最近有個突破；他們的一個分子可以將水分裂成氧氣和質子，只不過這個系統目前是靠電能驅動，不是利用陽光。

儘管歷經多年努力，史岱霖預期他們發表的結果會招致批評，部分是因為他們的生氧分子不是完全的催化劑，這個分子在反應中會轉化成別的東西，因此可能不能再用。他說，不但人們懷疑，他們自己也懷疑。因為「這是個很難的領域。」

要說服譬如像杜蘭之類的科學家，他會碰上困難。「目前唯一所知能在熱力學上有效率的氧化水的分子系統只有光合系統二。」杜蘭說，「距離發展出一套同樣好的分子系統，我們還很遠呢。」

光合作用基本上是個失敗的能量轉換過程。 —–馬洛克

光合作用

其他的化學家則認為，只想要模仿光合作用是太短視近利了。「光合作用基本上是個失敗的能量轉換過程。」賓州州立大學的馬洛克(Tom Mallouk)說。要想解決世界的能源危機，科學家要有野心超逾植物百分之三的轉換效率。他以為，如果只想要的就是百分之三，那我們該做的就是去種玉 米。他覺得至少應以百分之十為目標，最好是百分之二十，而且每單位面積的材料成本，應該跟房屋油漆差不多。

「充電地球」團隊樂觀相信他們可以打敗光合作用，就算他們還無法打破特納的能量轉換效率紀錄。他們決心要在成本上打敗特納。到頭來我們想要有百分之五到十的太陽能變燃料的轉換效率，路易斯說，「我們知道有哪些材料有用，問題是怎麼讓它做得更快、更好、更便宜。」

京都大學的堂免一成(Kazunori Domen)採取另一個裂水的材料途徑。堂免一成說，將來若人們大規模的使用太陽能，我們就需要利用能大面積吸收太陽能的技術。為了達到這個目標，他使用 一種光催化粒子，在表面同時產生氫氣和氧氣。這個材料是一種固體溶液，一種金屬氧化物混滿另一種金屬氧化物奈米粒子的混合物。堂免一成還在發展這些材料， 目前還無法在所有的波長底下都有作用。

堂免一成承認目前還有許多需要好好探討的基本研究。的確，所有的研究團隊都宣稱他們的優先工作是基礎化學，應用擺在其次。「我們是在做基礎化學，沒什麼好害臊的。」路易斯說，「要解決這個問題首先有很多基本功要做。」

要有個完全實用的系統可能需要多年時間，儘管阿特瓦特認為矽柱毯已經發展成熟到可以商業化，作為吸收陽光的太陽能面板。有些小公司也在研究裂水反應，包括一家麻州的創業公司Nanoptek，他們是建立在早先柯比的方法，發展出能吸收廣泛能量範圍的光電極。

未來的燃料

目前威爾斯的G24i創新公司，發展的是建立在有機染料上的小規模生電系統，再次模仿葉綠素在大自然光合作用中的角色，他們將之用在個人電子產品、 行動電話和筆記型電腦上，目標是讓這些大眾傳播工具能在世界偏遠角落使用。這個公司的第一個產品；太陽能充電器，今年二月開始生產。

陽光真的是我們最終的能量來源，它照亮一切。 ——- 特納

這個辦法是建立在瑞士聯邦科技研究院格拉佐(Michael Gratzel)最先發展出來的技術。他的光電化學電池，大幅減少對矽的需求，因為昂貴的半導體材料只是用來運送電子和電洞，陽光是由有機染料來接收捕 獲。不過G24i公司的產品只能產生電流，不能將陽光轉換為燃料。

究竟商業化燃料生產裝置何時能夠實現？這個領域中看法各有不同。阿特瓦特認為他那部份的計畫立即就有商業化的機會，杜蘭則認為至少十年內不會有實用 的可能。格雷認為至少還需要三到四年的努力，也對前景樂觀。「對於競爭和創新來說，這是件大事。」他說，「當太陽能的時代來到，這將是數以兆計的產業。」

特納希望這方面的研究能得到更長期的支持。他認為，過去三十年來資金非常的「不穩定而且零散」。他認為如果我們想要滿足未來世界的能源需求，這樣做是不對的。「陽光真的是我們最終的能量來源，它照亮一切。」