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徐令予:华人女科学家取得人工光合作用制氢技术突破

2017-02-16 07:38:12

【文/ 观察者网专栏作者 徐令予】

2月5日,“科学美国人”在头版显著位置发布了一篇重要文章——“科学家们为可再生氢气能源的制造开发出更好的途径” (Scientists Develop a "Better Way" to Produce Renewable Hydrogen)。文章特别指出:该项研究成果的论文已经发表在自然杂志能源专刊上,论文的第一作者是 Jing Gu 博士。

我对太阳能利用的科学研究一直有着强烈的兴趣,仔细读完上述文章后,我猜测论文第一作者很可能是位华人科学家,令我备感振奋。借助互联网,我于当天就联系到了顾竞(Jing Gu)博士。

令我十分惊奇的是:这位顾竞博士竟然是位三十刚过,从贵州大山中走出来的年轻女科学家,美国圣地亚哥州立大学化学与生物化学系的助理教授。这位年轻有为的顾竞博士的研究成果为利用太阳能提供了切实可行的新方案。

众所周知,太阳能发电技术的一个致命缺陷是受制于日夜交替和天气变化,而且大规模太阳能收集基地又远离高能耗的人口中心。收集太阳能不是主要问题,对太阳能的有效地储存和运输才是关键。虽然近年来也开发了高压直流输电、蓄水储能等各种相关技术,但这些技术都有着各种各样的缺点,它们都不是长远的理想解决方案。

而作为太阳能转换和存储的重要分支:“人工光合作用分解水制氢”技术具有广阔的应用前景。利用3-5族化合物半导体太阳能电池的“人工光合作用分解水制氢”技术开发已有近二十年的历史,这条崎岖的探索之途上的拦路虎是制备高效稳定的光阴极材料。“明知山有虎,偏向虎山行。”顾竞博士就是一位敢于上山打虎的巾帼英雄。

下面就是顾竞博士接受我远程采访的内容:

问:顾竞博士,请简单介绍一下你的最新研究成果。

答:我的最新研究成果可以归结为一句话:半导体磷化镓铟与非贵金属催化剂相结合形成廉价的光阴极材料在水分解中的机理及应用。

半导体磷化镓铟材料与砷化鎵p-n结形成的串接太阳能电池早在20年前就被证明可以应用于太阳能电解水制氢气,太阳能转化为氢气的效率可高达12%。但是该电极系统本身在水溶液的条件下非常不稳定,电极表面会发生自身的还原反应从而使电极材料腐蚀。如何稳定电极表面并且同时保持电极对水分解的催化活性是我的研究所要解决的关键。

我的研究表明可以通过原子层沉积法将二氧化钛沉积到电极表面提高电极的稳定性并进一步通过廉价的水分解催化剂使电极表面保持水分解活性。用廉价非晶态二硫化钼催化剂修饰过的半导体电极的稳定性可以与贵金属铂钌修饰过的电极表面稳定性相当。这个研究的创新性在于以往的研究虽然也尝试将二氧化钛做为光阴电极的稳定层,但是催化层一般是贵金属异相催化剂。更为关键的是,在高温加热的情况下,我们发现催化剂层二硫化钼和保护层二氧化钛形成了一个互相镶嵌的结构,进一步提高了电极的稳定性。我的研究为获取稳定的光电极材料开拓了全新的方向。

问:请你简单介绍一下人工光合作用制氢的原理。

答:人工光合作用制氢包含还原和氧化两个反应:水溶液中的光敏半导体在阳光照射下产生电子和空穴。电子进入还原催化剂后把水中的氢离子还原成氢气—这是还原反应;空穴进入氧化催化剂后把水中的氧离子氧化生成氧气—这是氧化反应。由此可知,寻找高效率的催化剂和保护层相结合是人工光合作用制氢的关键。

现在在人工光合作用领域有各种不同性能的催化剂,比如说无机的分子,固体催化剂。近年来研究的趋势是把需要合成的催化剂用生物酶,细菌等催化剂来替代,形成一种混合型催化剂。

人工光合作用制氢的原理图

氢气作为一种能源材料,制成以后可以通过燃烧获得能量。或者可以通过传输进入燃料电池内部产生电流。再或者,氢气是一种常用的化学中间体,可以通过不同的工业工程,帮助我们获得氮化物,醇类物质或者甲烷。

问:有了你的研究成果,实现人工光合作用制取氢气还有多少工作要做?

答:今天,人工光合作用制取氢气已经不是遥不可及的梦想,但是需要解决的具体问题还有非常非常之多。

从小处来看,我们必须进一步提高光阴极材料水分解的效率;必须让光阴极材料的保护层和催化剂之间互相协调合作得更好;同时要让半导体表面通过保护层和催化剂层的作用而更稳定。这都需要通过更深入的基础科学研究逐步分析解决。

从大处来看,当通过人工光合作用电解水取得氢气后,如何收集、传输和储存这些氢气;如何更好的分配和使用这些氢气。这就不仅是科学家的工作了,我们需要更多的优秀工程师和经济管理专业人士共同参与。

问:收集和利用太阳能的重大意义在哪里?

答:请先看看我们星球上的能量来源分布图。图中的各种色彩的圆圈分别代表不同的能源类型,而圆圈的大小表示该类型能源在地球上所占的份额。图中右边四个圆圈代表的都是不可再生的能源,而左边都是可再生的清洁能源。图中左边的橙色圆圈代表了全球一年能量消耗的总量,19TW,单位TW是10的12次方瓦特。这是2009年的数据,估计到到2050年会升高到30TW。

如果没有能源技术的突破,地球的不可再生能源再多只能支撑人类文明七十多年,而且在这期间这些不可再生的化石能源在燃烧过程中会严重污染我们的家园。

地球上各种能量来源的比例

请注意金黄色的太阳能,它的总量是如此巨大,图上表示的还只是太阳能投射到地球上一年的总量。经简单计算可知只要能够有效的收集和储存八十分钟的太阳能就足够支持全球一年的能源需求,而且它是完全无害的取之不尽、用之不竭的清洁能源。长年以来我们利用光电池可以有效的收集太阳能,但是储存太阳能的技术一直难有进展。“人工光合作用分解水制氢”技术可能为大量收集和储存太阳能提供最佳方案。

问:是什么原因让你走上了探索新能源的科研之路?

答:我出生在山明水秀的贵州,干浄的空气和清沏的流水陪伴我长大。在求学路上,我逐渐离开山区进入越来越繁华的大都市。大量能源的消耗撑起了都市的现代文明,但是也给人们带来了严重的污染。多么希望能尽快找到清洁的可再生能源,让我们和我们的后代在享受现代化生活的舒适便利的同时,也能够有一个像我童年时一样的青山绿水的生活环境。这将是我终生的事业和追求。

问:你在研究工作中有些什么有趣的经历?

答:新能源研究领域集中了各方面的专家学者,和他们一起工作极大地开拓了我的学术视野,与他们讨论交流也常会激起思维的火花。我在普林斯顿大学做博士后,师从一位固体化学权威,他是美国国家科学院院士。他家的后园建有天文观测站。我们几个学生有时会去那里仰望星空,与老师一起讨论土星的光环和超新星等天文学的奇观。我深深地感觉到“天高地迥,觉宇宙之无穷;兴尽悲来,识盈虚之有数”。

这段难忘的求学经历使我坚信宇宙的演变都是有规律的,我们的研究和探索就是要透过现象看本质,掌握和利用这些自然规律为人类服务。

新能源研究领域有许多的团队和学派,他们有些像江湖上的流派,有着像东邪、西狂、南僧、北侠等武林高手。我是一个入道才五年的新手,我愿意继续向各流派虚心地学习,博采众长,有朝一日用自创的独特工夫攻克新能源征途上的险隘难关。

我:谢谢顾竞博士在百忙之中接受我的釆访。

在与顾竞博士的釆访交谈中,我感觉得到她不仅有着深厚的专业功底,而且具有十分广博的自然科学知识。听着她谈论人工光合作用的科研现状和前景,细节方面深入浅出,条理清晰;宏观层面高屋建瓴,极具远见。如果单凭她谈话的内容和遣词造句,我感觉她简直就是一位睿智的资深科学家。

就如顾竞博士自己所说,在人工光合作用科研征途上她毕竟还是一位年轻的新手,前面的路还很长很远,她必须加倍的勤奋努力。让我们一起预祝顾竞博士在不久的将来取得更大的成功。

近百年来,中华民族的伟大崛起有目共睹,他的辉煌成就表现在许许多多方面。在这些成就中间有一点非常特出,我们的崛起过程中产生了比例高得惊人的巾帼英雄。单看科研领域,前有吴健雄、屠呦呦,今有一大批像顾竞博士这样的后起之秀。试问哪个时代,哪个民族能与中华文明争锋?

一个伟大的文明的最重要标志不是GDP的高度,更不是拥有多少先进武器。伟大文明最大的特点就是地杰人灵、男女平等、人才辈出,它应该源源不断地养育出成千上万的专家学者,而且在他们中间还必须有大量像顾竞博士这样的巾帼英才。环视全球,近百年来养育出高比例的女性人才,除了中国又有哪个国家和民族能做到这一点呢?因此,我对中华民族的伟大复兴事业信心百倍。

顾竞博士工作在美国新能源国家实验室 (图片)

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徐令予

徐令予

加州大学洛杉矶分校物理系研究员
顾竞

顾竞

美国圣地亚哥州立大学化学与生物化学系助理教授

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来源:观察者网 | 责任编辑:孙武
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