改造纳米管，让阳光更有效地把水分解为氢！

　　撰文 埃里克·斯莫利(Eric Smalley)

　　通往氢经济(hydrogen economy)的道路正在变得更加“光明”。现在，分解水分子释放氢气的纳米管可以更有效地工作，而且，它们很快就能利用阳光中的可见光部分了。

　　工程师可采用3种技术，利用阳光来分解水：一种是太阳能电池，它保持着水分解效率的记录，但却相当昂贵。另一种方法使用了微生物，它并不昂贵，但目前只能产生极少量的氢气。第三种选择是光催化法，它依赖于半导体中短暂出现的游离电子(freed electrons)。与水分子接触的电子会替换氢-氧化学键中的电子。这样，它们就能将水分解，产生氢气。光催化剂可能比太阳能电池更便宜，产生的氢气也比微生物法产生的氢气更多。

　　问题在于，用于水分解的光催化剂必须在水中才能工作，而且，它们只对紫外线发生反应，而紫外线在阳光中只占大约4%。那些能够吸收阳光辐射中更丰富的可见光部分的物质，本身又容易在水中分解。

　　科学家已经转而使用二氧化钛纳米管来解决效率问题。管状二氧化钛的效率，约为传统薄膜状二氧化钛的5倍，因为管状的外形可以使电子更持久地保持自由状态。因此，一个电子拥有更多机会来分解一个水分子。

　　美国宾夕法尼亚州立大学电气工程师克雷姆·格里姆斯(Craig Grimes)和他的团队，已经利用6微米长的二氧化钛纳米管，将紫外线到氢气的转换效率提升到了12%以上。在1瓦特紫外线的照射下，纳米管每小时可以产生80毫升的氢气，这是纯光催化系统的最高效率记录。

　　现在，两个科研团队—美国得克萨斯大学奥斯汀分校的化学家艾伦·巴德(Allen Bard)和同事，以及宾夕法尼亚州立大学的研究者—已经开始设计能够对可见光发生反应的二氧化钛纳米管。他们把碳加到二氧化钛纳米管中，使纳米管吸收的光波波长向电磁波谱的可见光部分偏移。巴德说，在一种人造的紫外线和可见光的混合光源照射下，这种偏移令水分解的效率增加了1倍。他们的下一步计划是，开发一种能够在纯可见光下仍然保持高效的纳米管材料。

　　这两个团队的目标是，将二氧化钛纳米管在可见光中的水分解效率提升到10%以上，这是美国能源部2010年的目标。格里姆斯进行过计算，如果用一种在可见光下效率可达12%的光催化剂，来覆盖美国一户普通人家的屋顶，那么，它每天制造的氢气，就相当于约11升汽油。(译/Joy 校/孙婷)