水成“油”不是夢

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一提到水變?nèi)剂?，稍有化學(xué)常識的人就會說，這簡直是天方夜譚。的確，這一違背常理的轉(zhuǎn)化在通常情況下確實不可能完成。但不管你信不信，科學(xué)家已經(jīng)在實驗室里將它變成了現(xiàn)實。近日，據(jù)英國《自然》雜志網(wǎng)站報道，美國科學(xué)家使用特殊的催化劑，在陽光下將水變成了可燃的甲烷，這讓飽受能源枯竭威脅的人類看到了希望。

新型納米管把水變成“油”

古今中外一直有“高人”想擁有“水變油”的奇術(shù)。但現(xiàn)代科學(xué)無情地告訴人們，根據(jù)元素守恒定律(化學(xué)反應(yīng)前后元素的種類不會改變)，這一轉(zhuǎn)化幾無可能。因為水含有氫、氧兩種元素，而油的主要成分是碳氫化合物，一些成分較為復(fù)雜的原油還含有磷、硫、鉀、鈉等元素。

科學(xué)家此次將水變成燃料的相關(guān)論文，發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會刊物《納米快報》上。這一新技術(shù)的發(fā)明者是賓夕法尼亞州立大學(xué)材料工程學(xué)克雷格·格蘭姆斯教授和同事。他們經(jīng)過一年半的艱辛努力，終于實現(xiàn)了成功轉(zhuǎn)化，幫助格蘭姆斯完成這一轉(zhuǎn)化的是一個小小的二氧化鈦納米管?？茖W(xué)家們用這種納米管催化水蒸氣和二氧化碳，結(jié)果得到了甲烷(一種碳氫化合物，是天然氣、沼氣、煤氣等的主要成分)。

此前，已有納米材料專家提出用二氧化鈦納米顆粒做催化劑，成功地將水蒸氣轉(zhuǎn)化為碳氫化合物，但反應(yīng)速度極低，并且只能在紫外光照射下完成。經(jīng)過無數(shù)次失敗，格蘭姆斯發(fā)現(xiàn)利用表面化學(xué)(研究各種表面現(xiàn)象實質(zhì)的科學(xué))反應(yīng)原理，在水蒸氣和二氧化碳的混合氣體通過二氧化鈦納米管的同時，通入氮氣，另外在納米管表面覆蓋負載有銅和鉑的納米顆粒，反應(yīng)就變得容易多了——平均每克納米管能在每小時內(nèi)產(chǎn)生160微升(微升為升的百萬分之一)碳氫化合物，反應(yīng)速度比之前提高了20倍，可以在可見光下完成。

從化學(xué)原理上講，這一反應(yīng)絕沒有違背元素守恒定律。反應(yīng)物是二氧化碳與水蒸氣，最后生成了甲烷和水，反應(yīng)物和生成物都含有碳、氫、氧元素，催化劑不參與反應(yīng)。但關(guān)于整個反應(yīng)過程還沒完全弄清楚。科學(xué)家們現(xiàn)在只知道，當(dāng)可見光照射在納米管上時，納米管釋放出高能量的電荷載體，使得水分子分解為氫氧自由基和氫離子。格蘭姆斯猜測，二氧化碳可能分解成氧氣和一氧化碳，在催化劑作用下與氣態(tài)氫反應(yīng)生成甲烷和水。

“鏈式反應(yīng)”還不能拯救人類

1996年，由基努·里維斯、蕾切爾·薇茲及摩根·弗里曼主演的科幻大片《鏈式反應(yīng)》票房大收，離奇的情節(jié)、大膽的想象將很多觀眾吸引進了電影院。影片講述的是芝加哥大學(xué)的一群科學(xué)家，發(fā)明了一種全新的能源技術(shù)，這種技術(shù)能夠從水里提取出無窮無盡、廉價而環(huán)保的燃料。當(dāng)負責(zé)這個項目的科學(xué)家打算向外發(fā)布新聞時，一群蒙面殺手從天而降，炸毀了整個實驗室，水變“油”技術(shù)灰飛煙滅。

從化學(xué)角度來講，格蘭姆斯的實驗也是“鏈式反應(yīng)”(—種伴隨著汽化、熱解作用產(chǎn)生自由基而使燃燒繼續(xù)的化學(xué)反應(yīng))。它能把人類從資源枯竭的恐懼中拯救出來嗎?這恐怕反映了很多人的心聲。但目前的答案是：否。

從反應(yīng)條件來看，格蘭姆斯的新技術(shù)離大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)還有很大距離。雖然是在可見光下一但反應(yīng)所需的納米管和催化劑很昂貴，反應(yīng)速度遠不能達到高轉(zhuǎn)化率、高產(chǎn)出量，還不能實現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。格蘭姆斯說，目前催化劑的效率很低，“目前為止，我們還不具備拯救人類的能力?！?/p>

不過，格蘭姆斯對未來的研究很樂觀。他向媒體講述了他的3步計劃：第一步是給納米管安裝感應(yīng)器，讓它更好地起到光導(dǎo)作用；第二步，在納米管的表面更平均地沉淀銅納米顆粒；第三，使用實惠的太陽能光電板，這樣一來，可以更長時間地照明?！敖Y(jié)合其他一些改進，轉(zhuǎn)化效率能成倍提高?！比鹗柯迳Ｂ?lián)邦理工學(xué)校的物理化學(xué)家邁克爾·格特澤稱，這個結(jié)果還是基礎(chǔ)性研究，目前的主要任務(wù)是提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)尚需時日。