2022年03月15日 09:00 環球科學 吃完香蕉後,我們總是想當然地把香蕉皮扔進垃圾桶。 但總有些科學家要做不同尋常的事,再加上他們有「高大上」的裝置,所以他們決定看一看,只用氙燈照一下會發生什麼。 不過,在講這些科學家做的事情之前,得先知道他們究竟為了什麼,非要把香蕉皮放進烘箱裏烘一烘? 撰文 | 王怡博 審校 | 二七 看到街上行駛的電動汽車,一些人可能會想:它用的應該是鋰電池。 畢竟,我們每個人最熟悉不過的就是手上拿著或兜裏揣著的「鋰電池」(智能手機)。 而且,即使是在電動汽車產業,鋰電池也占據著領先地位,例如特斯拉采用的動力鋰電池。 但事實上,鋰電池還有一個強勁的對手——氫燃料電池。 盡管氫燃料電池和鋰電池還在爭奪未來電動汽車產業的首要地位,但它們倒是有一個共同點:「氫」和「鋰」都位於元素周期表的「前排」,分別是第一和第三位。 有趣的是,這2種最簡單的元素(除去氦)在未來的電動汽車或新能源行業扮演著重要的角色。 不過,與鋰電池相比,氫燃料電池利用的反應,我們要更熟悉一些。 氫氣是「動力」 如果你還沒有忘記中學化學課本裏的「電解水」反應,那麼你很容易就能理解氫燃料電池的工作原理——電解水的逆向過程。 總的來看,氫氣和氧氣發生化學反應生成水,同時這部分化學能被轉化為了電能。 此外,相比於鋰,氫在動力應用方面的曆史更久遠。 1766年,亨利·卡文迪許(Henry Cavendish)第一次在實驗室發現「氫氣」這種物質。 當時,卡文迪許把稀鹽酸滴在鋅片上,產生了氣泡。 他不僅分析了「氣泡」,還發現這種氣泡可以在燃燒後生成水。 隨後,這種氣體便在人類的飛行夢想中,並作為一種升力來源留下了濃墨重彩的一筆。 1783年,雅克·查爾斯(Jacques Charles)第一次發明出了氫氣球。 氫氣的質量非常輕,密度也小於空氣,因此充滿氫氣的氣球就可以漂浮在空中。 在此基礎上,亨利·吉法德(Henri Giffard)於1852年制造出了第一架由氫氣提供升力的飛艇。 這樣的飛艇曾在第一次世界大戰時,安全轉移了3.5萬人,沒有發生任何事故。 但不幸的是,1937年,德國「興登堡」號飛艇因氫氣爆炸而在空中燒毀。 自此,以氫氣為升力的飛艇時代也畫上了句號。 但近些年,「氫氣能發生燃燒,且燃燒產物只有水」,再次吸引了科學家的注意,尤其是因為水對環境沒有危害。 這一次,當科學家想把氫氣作為動力時,反而要依靠它能燃燒的性質。 然而,自然界基本不存在氫氣。 地球上的氫元素多以化合物的形式存在,例如水和有機物。 但好消息是,理論上生產氫氣並不難,例如第一次發現氫氣時,酸和金屬鐵或鋅的反應就產生了氫氣。 不過,要使用氫氣作為能源,還需要找到規模生產的方法。 制氫面臨挑戰 對於氫燃料電池而言,氫氣的生產是其中最具挑戰性的一環。 考慮到化石燃料對環境的影響,科學家一直在尋找替代化石燃料的清潔能源。 但他們心目中的清潔能源——氫氣,並沒有真正擺脫化石燃料的限制:目前工業制氫,主要還是通過甲烷水蒸氣重整、石油的催化重整或煤炭氣化,但它們的原料仍然是化石燃料。 在思考如何制備真正清潔的氫氣時,科學家第一個想到的就是課本上的「電解水」實驗。 但工業生產中的電解水制氫並不像在書上畫一張示意圖,或寫一個方程式那麼簡單。 從電極、電解液和催化劑的選擇,再到質子交換膜,每一步都還需要優化,因為目前電解水制氫的效率還很低。 除了電解水外,還有一種方法也越來越受到科學家的青睞:生物質熱裂解。 生物質是指通過光合作用形成的各種有機體,例如玉米、落葉、果殼等有機廢物。 在變成「廢物」之前,這些有機體一直在吸收二氧化碳,是天然儲存二氧化碳的「容器」。 因此,如果直接將有機廢物丟棄在環境中,就可能導致大量二氧化碳的釋放。 碳、氫、氧是構成有機體的主要成分,因此科學家就在想,如果將有機廢物收集起來,或許能轉變成有用的物質。 從中獲得氫氣也在科學家的計劃之中。 近日,由瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)基礎科學系的休伯特·吉羅(Hubert Girault)帶領的團隊開發了一種新的分解生物質的方法。 他們利用被視為垃圾的香蕉皮,得到了氫氣和一種叫做生物炭的物質。 相關研究結果發表於《化學科學》(Chemical Science)雜志。 用香蕉皮會發生什麼? 在這項研究中,將香蕉皮變成氫氣的關鍵就在於氙燈。 氙燈是利用氙氣放電而發光的電光源。 對於這支研究團隊來說,氙燈並不陌生,他們曾經用氙燈制備過納米顆粒。 但在這項研究中,他們決定用大功率氙氣閃光燈作為光源,讓往往會被扔掉的香蕉皮發生光熱解反應,然後看看究竟會產生什麼。 大功率氙氣閃光燈不僅能提供功率更高的能量,還能提供短脈沖。 換句話說,就是要產生強有力的閃光,以便快速觸發香蕉皮的光化學反應。 在用光照射之前,他們還需要將濕濕的香蕉皮在105攝氏度下烘幹,然後把烘幹的香蕉皮研磨成粉末。 隨後,這些粉末被轉移至充滿惰性氣體的不鏽鋼反應釜中。 值得注意的是,這種反應釜能承受一定的壓力,且有一個玻璃窗,這讓研究人員能實時看到裏面發生的變化。 然而,普通的反應釜是沒有玻璃窗的,因為幾個大氣壓和玻璃的結合還是讓許多科學家望而卻步。 在這種氙氣閃光燈下,香蕉皮的轉變在14.5毫秒內就結束了。 結果是,每千克香蕉皮(幹重)產生了約100升氫氣和330克生物炭。 此外,研究人員認為這些生物炭也是有價值的,例如可以用於改良土壤,也可以用於生產電極,因為許多電池的陰極是碳基材料。 巴瓦納·納加爾(Bhawna Nagar,這項研究的共同作者)認為這項研究最重要的地方是,他們把香蕉皮「儲存」的二氧化碳間接轉變成了有價值的物質。 這也是生物質研究的意義所在。 這項研究沒有采用任何催化劑,只用到了氙燈。 但很顯然,要想提高氫氣的產量,研究人員還需要做更多的工作。 「生物質」與「電解水」相似的地方在於,任何一個方面的進步都有可能推動產生新的想法。 或許哪一天,香蕉皮制氫不再是實驗室裏的一次小發現,而真的被用於規模產氫了呢? 封面圖片來源:Ton Gregorio/flickr 參考鏈接: 《吃香蕉別扔香蕉皮,它有機會讓你的汽車跑起來》完,請繼續朗讀精采文章。 喜歡 科學報 cn-n.net,請記得按讚、收藏及分享。
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吃香蕉別扔香蕉皮,它有機會讓你的汽車跑起來
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