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。