美科研人员掌握“水变油”技术
2009-02-18 来源:科学网
格兰姆斯试验所用的设备
用于将“水变燃料”实验的二氧化钛钠钠米管
最新一期《自然》杂志报道了美国宾西法尼亚州立大学教授克雷格·格兰姆斯的“水变油”实验:宾西法尼亚大学操场内,上演了一幕让人瞠目结舌的奇迹。研究者将二氧化碳和水蒸气装入一种纳米试管中,在光的作用下,开始发生化学反应,转化成俗称“天然气”的甲烷。近日,格兰姆斯接受了记者的采访。
1996年,美国上映了一部名叫《链式反应》的科幻影片,说的是芝加哥大学的一群科学家,搞出了一种全新的能源技术,这种技术能够从水里提取出无穷无尽廉价而又环保的燃料。结果,当负责这个项目的科学家,打算向外发布新闻时,一群蒙面杀手从天而降,炸毁了整个实验室,“水变油”技术灰飞烟灭。
13年后,原本只会在科幻片中出现的“水变油”技术变成现实,他的发明者同样是美国高校的一群科学家。宾西法尼亚州立大学材料工程学教授克雷格·格兰姆斯和他在宾西法尼亚州立大学的同事们一起在学校的草地内,用二氧化钛纳米管(大约135 纳米宽,0.1毫米长)去催化水蒸气和二氧化碳,结果喜出望外地得到想要的结果——碳氢化物。
“这是一个相当艰难的项目,我们为此研究超过一年半,而且是在完全没有先例参考的情况下完成的。”格兰姆斯告诉记者,尽管在他之前,已经有科学家提出了用二氧化钛纳米颗粒催化反应,但由于催化效果不明显,科学家普遍认为这一研究没有任何价值。对此,格兰姆斯却提出不同观点。经过无数次的失败尝试,他发现当水蒸气和二氧化碳通过二氧化钛纳米管,同时引入氮气,另外在纳米管的表面负载了铜和铂的纳米颗粒,生成碳氢化学物的速度比以前快了20倍左右。
“蚊型”团队的大成果
格兰姆斯教授带领的研究团共有12人,“水变油”项目只是整个研究项目中的一小部分,只有4人参与,和一般队伍庞大的科研团队相比,只能算一个“蚊型”团队。“我主管项目研发,研究员Oomman Varghese负责研发,他的助手研究生Thomas La Tempa,最后一个成员是擅长纳米管研究的Maggie Paulose。”
在开始“水变油”研究项目前,格兰姆斯发明了一种名叫“利用可见光分解水”的新技术,这为“水变油”提供了基础的技术保障。2007年7月,格兰姆斯在《纳米快报》(Nano Letters) 上发文称,由自动排列、垂直定向的钛铁氧化物纳米管阵列组成的薄膜,可在太阳光的照射下将水分解为氢气和氧气。
2008年夏天,格兰姆斯在宾西法尼亚州立大学进行实验。首先,他向钢管内通入二氧化碳和水蒸气,用纳米管薄膜覆盖住仪器的后部,然后在容器顶部安装石英窗户使阳光进入。随后,把这个封闭的仪器在天气好的时候放置在室外的校园内。“当阳光照射在纳米管上时,纳米管释放出高能量的载荷子,使得水分子分解为氢氧自由基和氢离子。二氧化碳分解后的产物——氧气、一氧化碳和氢气后,就反应生成了甲烷和水。”
“每克二氧化钛纳米管,大约每小时生成160毫升碳氢化学物。这个反应速率至少要快于先前在紫外线下得到的结果20倍。”格兰姆斯指出,在整个反应后期,铜和铂催化作用明显,但由于铂的价格昂贵,如何减少铂含量而使得催化效果不变,仍值得研究。
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(责任编辑:蔚蓝)
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