特写

有水有光,然后有了能源──中大化学家求索洁净燃料

2014年10月

全球正为寻求洁净能源而努力,化学系余济美教授的研究朝这目标迈进了一大步。余教授与其研究团队发现,只需将水暴露于阳光下,即可产生能源。

关键的成分是红磷,这是磷的三种形体中最稳定和常见的。在阳光底下,红磷可将水分解,产生气泡状的氢──一种洁净燃料。

这令红磷成为全世界最简单的光催化剂,「简单就是美,」余教授说:「这元素藏量丰富,取之不竭。」

光催化剂的运作,就如叶绿素之于植物,它吸收光的能源,产生化学反应;光催化作用纯粹就是一种人工的光合作用。

可用作光催化剂的材料,没有数千也有数百种,但大都是重金属氧化合物,昂贵且制造过程复杂,常要用上稀有元素来提高效能。

因此化学家一直寻求有相同功能的单一元素。磷占地壳总量的千分之一,即有以千亿吨计的磷,提取也算容易。

白磷是化学学生较熟悉的形体,极不稳定又危险,会于空气中燃烧,须储存于油中。黑磷跟红磷一样,非常稳定,但制造黑磷极之昂贵,因所需的结晶过程甚难进行。

红磷是大量生产的常用物料,可用作阻燃剂,就是火柴头带红色的成分。它亦可用于防火物料和烟花。

余教授自1995年起一直致力于研究物料的环境应用,至最近始和其博士生王锋将焦点放在红磷。他们检验了大量可用作半导体的元素,这是可充当光催化剂的先决条件。

这番检验的主要发现是红磷也可用作半导体,这是研究人员从未留意的特性。传统的看法是红磷只可用作绝缘体。

余济美教授对此大感惊讶,他和学生再三检视这结果。

「这发现令人振奋,我们很意外原来磷也有光催化的特性,」余教授说:「过往从没发现有单一元素具此特性,原来就这麽简单。」

余教授接着与一位专于理论计算的同事合作,了解该元素为何可用作光催化剂,又如何运作。现时余教授和他的团队正检视红磷的各种结晶体结构,因为不同的结晶体在产生氢时会有不同效果。

日本科学家藤嶋昭最早研究将氢从水中分解,他发现二氧化钛可产生氢,这研究成果于1972年的《自然》期刊刊登。但二氧化钛比红磷更难制造,并需要紫外光将水分子分解。而日常的阳光中,只有约百分之四为紫外光,因此二氧化钛得配合人工光源始能有效。

对比之下,红磷可在天然阳光的整个光谱中运作,用作制造洁净能源最理想不过。阳光发挥辐照源的功用,刺激催化剂,引起化学反应。

余教授的水分解过程于室温进行,由磷将水的元素(即氢和氧)拆解。氢的燃料容量甚高,即较其他化学燃料产生更多的能量。与石油类燃料不同,这燃料燃烧时不会产生温室气体等副产品,化学反应结束后,余下的只有水。

余教授的研究获同侪公认为全球最具开创性之一,他获选为路透社「2014世界最具影响力科学家」,并入选过去十一年材料科学领域中「最高引用率研究人员」,即在该段时间其论文获引用最多的首百分之一的学者。

要用红磷来制造工商业用能源,还有一段日子。因为这材料不及传统的光催化剂有效,所制造的氢分量也不多。

化石燃料获广泛应用,使大家忽略了需要投放资源,发展光催化技术至商业规模。即使传统的太阳能也更为有效,但当大家都留意到传统燃料对环境的破坏时,便可能改变思维。

得到余教授的启发,研究团队的另一成员亦发现一种采用其他元素以从水中产生氢的方法。副研究员刘岗博士现于沈阳的金属研究所从事相关研究。

「最终目标是发现到环保的方法,制造洁净能源。」余教授说:「我们希望提供一些可行的解决方案。」