日本氫能量- 天涯問答
十一、陶瓷跟水反應制取氫氣
日本東京工業大學的科學家在300 ℃下，使陶瓷跟水反應制得了氫。 他們在氬和氮的氣流中，將炭的鎳鐵氧體（CNF）加熱到300 ℃，然後用注射針頭向CNF上註水，使水跟熱的CNF接觸，就制得氫。 由於在水分解後CNF又回到了非活性狀態，因而鐵氧體能反複使用。 在每一次反應中，平均每克CNF能產生2立方厘米～3立方厘米的氫氣。
十二、甲烷制氫氣
1.日本京都大學教授乾智行用鎳鉑稀土元素氧化物多孔催化劑，使甲烷、二氧化碳和水生成了氫氣。 催化劑中鎳、稀土元素氧化物和鉑的組成比例為10:65:0.5。 其製備過程是，先將鎳、稀土元素氧化物等原料加熱熔解，然後導入氨氣，使熔解物成為凝膠狀，再進行乾燥、熱處理。 這種催化劑微粒孔徑為2納米～100納米，具有很高的催化活性。 乾智行教授將該催化劑裝進反應塔，然後加入二氧化碳、甲烷和水蒸氣。 結果，在常壓及550 ℃～600 ℃條件下，生成物為氫氣和一氧化碳，升溫至650 ℃，其轉化率為80%；溫度為700 ℃時，轉化率幾乎達到100%。
2.用C60作催化劑從甲烷制氫氣
日本工業技術院物質工學工業技術研究所用C60作催化劑，從甲烷制得氫氣。
在現階段，C60在高溫條件下才能發揮功能，不能立刻達到實用，必須加以改良，製成在低溫條件下也能工作的節能催化劑。 他們開發的催化劑，是在碳粉裡摻10%的C60。 在加熱到1000 ℃的容器裡，放入0.1克催化劑，以1分鐘流入20毫升甲烷的速度作實驗，結果90%的甲烷分解成氫和碳。 C60用作催化劑，可用水洗淨表面，除去附著的殘存碳素，理論上可半永久使用。 由於形狀獨特，粒子表面面積為活性炭的5倍到10倍，因而作催化劑用時功能較強。
十三、從微生物中提取的酶制氫氣
1.葡萄糖脫氧酶。 美國橡樹岑國家實驗室從熱原體乳酸菌中提取葡萄糖脫氧酶。 熱原體乳酸菌首先是在美國礦井中的低溫乾餾煤渣中發現的。 葡萄糖脫氧酶在磷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADP）的幫助下，能從葡萄糖中提取氫。 在製取氫的過程中，NADP從葡萄糖中剝取一個氫原子，使剩餘物質變成氫原子溶液。
2.氫化酶。 這種酶是從曾在海底火山口附近發現的一種微生物中提取的。 氫化酶的作用是使NADP攜載的氫原子結合成氫分子，而NADP還原為它原來的狀態繼續再次被利用。 除美國發現這種酶外，俄羅斯的科學家也在湖沼裡發現了這種微生物。 他們把這種微生物放在適合於它生存的特殊器皿裡，然後將微生物產出的氫氣收集在氫氣瓶裡。
十四、從細菌制取氫氣
1.許多原始的低等生物在其新陳代謝的過程中也可放出氫氣。 例如，許多細菌可在一定條件下放出氫氣。 日本已發現一種名為“紅極毛桿菌”的細菌，就是製氫的能手。 在玻璃器皿裡，以澱粉作原料，摻入一些其他營養素製成培養液，就可以培養出這種細菌。 每消耗5毫米澱粉營養液，就可以產生出25毫升的氫氣。 2.美國宇航部門準備把一種光合細菌—紅螺菌帶到太空去，用它放出的氫氣作為能源供航天器使用。 十五、用綠藻生產氫氣
科學家們已發現一種新方法，使綠藻按要求生產氫氣。 美國伯克利加州大學科學家說，綠藻屬於人類已知的最古老植物之一，通過進化形成了能生活在兩個截然不同的環境中的本領。 當綠藻生活在平常的空氣和陽光中時，它像其他植物一樣具有光合作用。 光合作用利用陽光，水和二氧化碳生成氧氣和植物維持生命所需要的化學物質。 然而當綠藻缺少硫這種關鍵性的營養成分，並且被置於無氧環境中時，綠藻就會回到另一種生存方式中以便存活下來，在這種情況下，綠藻就會產生氫氣。 科學家介紹，1升綠藻培養液每小時可以產生出3毫升氫氣，但研究人員認為，綠藻生產氫氣的效率至少可以提高100倍。 十六、有機廢水發酵法生物製氫氣
最近，以厭氧活性溶液為生產原料的“有機廢水發酵法生物製氫技術”在我國哈爾濱建築大學通過中試研究驗證。 我國工程院院士李圭白教授介紹，該項研究在國內外首創並實現了中試規模連續非固定化菌種長期持續生物製氫技術，是生物製氫領域的一項重大突破，其成果處國際領先地位。 生物製氫思路1966年提出，90年代受到空前重視。 從90年代開始，德、日、美等一些發達國家成立了專門機構，制定了生物製氫發展計劃，以期通過對生物製氫技術的基礎性和應用性研究，在21世紀中葉實現工業化生產。 但時至今日，研究進程並不理想，許多研究還都集中在細菌和酶固定化技術上，離工業化生產還有很大差距，迄今尚無一例中試結果。 哈爾濱建築大學的教授突破了生物製氫技術必須採用純菌種和固定技術的局限，開創了利用非固定化菌種生產氫氣的新途徑，並首次實現了中試規模連續流長期持續產氫。 在此基礎上，他們又先後發現了產氫能力很高的乙醇發酵類型，發明了連續流生物製氫技術反應器，初步建立了生物產氫發酵理論，提出了最佳工程控制對策。 該項技術和理論成果在中試研究中得到了充分驗證：氫氣產率比國外同類的小試研究高幾十倍；開發的工業化生物製氫系統工藝運行穩定可靠，且生產成本明顯低於目前廣泛採用的水電解法。 十七、光解水製氫氣介紹及進展
自地球上出現生命以來，就萬物生長靠太陽。 光合作用是綠色植物和藻類植物在可見光作用下將二氧化碳和水轉化成碳水化合物的過程。 人類賴以生存的能源和材料都直接的和間接的來自光合作用。 石油、煤、天然氣等化石燃料就是自然界留給我們的光合作用的產物。 由於世界的飛速發展，大自然留給我們的能源越來越短缺，這就激發了各國的科學家對光合作用及其模擬的研究，只能從能源上考慮，光解水製造氫是太陽能光化學轉化與儲存的最好途徑。 因為氫燃燒後只生成水，不污染環境，便於儲存和運輸的可再生能源。 如果把太陽能先轉化為電能，則光解水製氫可以通過電化學過程來實現。 綠色植物的光合作用，就是通過葉綠素吸收太陽光，再把光能轉化為電能藉助電子轉移過程將水分解的。 從太陽能利用角度看，光解水製氫過程主要是利用太陽能而不是它的熱能，也就是說，光解水過程中首先應考慮盡可能的利用陽光輻射中的紫外光和可見光部分，據此，太陽能分解水製氫可以通過三種途徑來進行。 ★ 光電化學池：即通過光陽板吸收太陽能並將光能轉化為電能。 光陽板通常為光半導體材料，受光激發可以產生電子——空穴對，光陽極和對極（陰極）組成光電化學池，在電解質存在下光陽極吸光後在半導體帶上產生的電子通過外電路流向對極，水中的質子從對極上接受電子產生氫氣。 ★ 光助絡合催化：即人工模擬光合作用分解水的過程。 從分解水的角度而言，在綠色植物光合作用中，首先是應該光合作用通過光氧化水放氧儲能，然後才是二氧化碳的同化反應。 通過光化學反應儲存了氫，同時也儲存了碳。 太陽能分解水製氫，只需從原理上去模擬光合作用的吸光，電荷轉移，儲能和氧化還原反應等基本物理化學過程。 ★ 半導體催化：半導體光催化在原理上類似於光電化學池，細小的光半導體顆粒可以被看做是一個個微電極懸浮在水中，他們像太陽極一樣在起作用，所不同的是它們之間沒有像光電化學池那樣被隔開，甚至對級也被設想是在同一粒子上。 和光電化學池比較，半導體光催化分解水放氫的反應大大簡化，但通過光激發在同一個半導體微粒上產生的電子——空穴對極易複合。 儘管半導體光催化循環分解水同時放氫放氧未能實現，像絡合物催化光解水一樣必須在反應體系中加入電子給體或受體分別放氫放氧，但半導體光催化的發展去為光催化研究打開了若干新的領域。
氫能，是一種最理想的無污染的綠色能源。 由於氫大量地存在於水中，電解法可從水中獲得氫氣，但電解成本高，而方便廉價的氫氣製備成為各國學者的願望。 1972年，日本本多健一等人利用二氧化鈦（TiO2）半導體作電極，製成太陽能光電化學電池，揭示了利用太陽能直接分解水製氫的可能性。 隨著由電極電解水演變為多相催化分解水以及TiO2以外的光催化劑的相繼發現，日本、歐美等國興起了以光催化方法分解水製氫(簡稱光解水)的研究，並在光催化劑的製備、改性以及光催化理論等方面取得較大進展。
我國在光解水相關研究方面也有特色。 研究表明，Ti02為可用於光解水較適宜的電極材料，但其禁帶寬度為3.2eV，只能吸收太陽光中的紫外光和近紫外光，光電轉換率僅有0.4%左右。 而禁帶寬度在1.8eV左右的半導體作電極，可最大限度地吸收太陽光，提高制氫轉換效率，但這類電極容易產生陽極溶解，發生光腐蝕。 我國的科研人員採用在反應體系中加入電子接受體、在Ti02表面擔載貴金屬、製備二元及多元復合催化劑、摻雜稀土元素、光敏化，以及採用新型的製備方法提高光催化劑的催化活性，先後開發了SrTi03、K4Nb6O17、BaTi409、K3Ta3Si2O13以及具有層間複合結構的CdS/KTiNbO5、CdS／K2Ti39Nb0.1O9/Pt等多種催化劑，取得了很大進展，紫外光照射純水的活性已由最初的幾μmol／goh催化劑增大到幾百μmol／goh
國家自然科學基金項目“光解水用摻雜稀土新型TiO2半導體電極的研究”，採用溶膠－凝膠法、氣相沉積法等在電極中添加不同稀土及其它金屬氧化物，利用稀土的催化活性及擴展材料吸光範圍等特性，製成了TiO2-RE2O3、CdS-Ti02及CdS-W03-Ti02等電極，提高了電極的光電化學性能、耐蝕性、能量轉換效率及使用壽命，取得了較好的效果。 儘管光解水製氫技術距離工業化還有一定差距，但這些科研成果給實現這一目標帶來希望。 科學家希望能找到新的突破口，研製和開發出具有高效率的光解水催化劑，使這一“太陽氫”工程真正能服務於人類。
日本東京工業大學的科學家在300 ℃下，使陶瓷跟水反應制得了氫。 他們在氬和氮的氣流中，將炭的鎳鐵氧體（CNF）加熱到300 ℃，然後用注射針頭向CNF上註水，使水跟熱的CNF接觸，就制得氫。 由於在水分解後CNF又回到了非活性狀態，因而鐵氧體能反複使用。 在每一次反應中，平均每克CNF能產生2立方厘米～3立方厘米的氫氣。
十二、甲烷制氫氣
1.日本京都大學教授乾智行用鎳鉑稀土元素氧化物多孔催化劑，使甲烷、二氧化碳和水生成了氫氣。 催化劑中鎳、稀土元素氧化物和鉑的組成比例為10:65:0.5。 其製備過程是，先將鎳、稀土元素氧化物等原料加熱熔解，然後導入氨氣，使熔解物成為凝膠狀，再進行乾燥、熱處理。 這種催化劑微粒孔徑為2納米～100納米，具有很高的催化活性。 乾智行教授將該催化劑裝進反應塔，然後加入二氧化碳、甲烷和水蒸氣。 結果，在常壓及550 ℃～600 ℃條件下，生成物為氫氣和一氧化碳，升溫至650 ℃，其轉化率為80%；溫度為700 ℃時，轉化率幾乎達到100%。
2.用C60作催化劑從甲烷制氫氣
日本工業技術院物質工學工業技術研究所用C60作催化劑，從甲烷制得氫氣。
在現階段，C60在高溫條件下才能發揮功能，不能立刻達到實用，必須加以改良，製成在低溫條件下也能工作的節能催化劑。 他們開發的催化劑，是在碳粉裡摻10%的C60。 在加熱到1000 ℃的容器裡，放入0.1克催化劑，以1分鐘流入20毫升甲烷的速度作實驗，結果90%的甲烷分解成氫和碳。 C60用作催化劑，可用水洗淨表面，除去附著的殘存碳素，理論上可半永久使用。 由於形狀獨特，粒子表面面積為活性炭的5倍到10倍，因而作催化劑用時功能較強。
十三、從微生物中提取的酶制氫氣
1.葡萄糖脫氧酶。 美國橡樹岑國家實驗室從熱原體乳酸菌中提取葡萄糖脫氧酶。 熱原體乳酸菌首先是在美國礦井中的低溫乾餾煤渣中發現的。 葡萄糖脫氧酶在磷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADP）的幫助下，能從葡萄糖中提取氫。 在製取氫的過程中，NADP從葡萄糖中剝取一個氫原子，使剩餘物質變成氫原子溶液。
2.氫化酶。 這種酶是從曾在海底火山口附近發現的一種微生物中提取的。 氫化酶的作用是使NADP攜載的氫原子結合成氫分子，而NADP還原為它原來的狀態繼續再次被利用。 除美國發現這種酶外，俄羅斯的科學家也在湖沼裡發現了這種微生物。 他們把這種微生物放在適合於它生存的特殊器皿裡，然後將微生物產出的氫氣收集在氫氣瓶裡。
十四、從細菌制取氫氣
1.許多原始的低等生物在其新陳代謝的過程中也可放出氫氣。 例如，許多細菌可在一定條件下放出氫氣。 日本已發現一種名為“紅極毛桿菌”的細菌，就是製氫的能手。 在玻璃器皿裡，以澱粉作原料，摻入一些其他營養素製成培養液，就可以培養出這種細菌。 每消耗5毫米澱粉營養液，就可以產生出25毫升的氫氣。 2.美國宇航部門準備把一種光合細菌—紅螺菌帶到太空去，用它放出的氫氣作為能源供航天器使用。 十五、用綠藻生產氫氣
科學家們已發現一種新方法，使綠藻按要求生產氫氣。 美國伯克利加州大學科學家說，綠藻屬於人類已知的最古老植物之一，通過進化形成了能生活在兩個截然不同的環境中的本領。 當綠藻生活在平常的空氣和陽光中時，它像其他植物一樣具有光合作用。 光合作用利用陽光，水和二氧化碳生成氧氣和植物維持生命所需要的化學物質。 然而當綠藻缺少硫這種關鍵性的營養成分，並且被置於無氧環境中時，綠藻就會回到另一種生存方式中以便存活下來，在這種情況下，綠藻就會產生氫氣。 科學家介紹，1升綠藻培養液每小時可以產生出3毫升氫氣，但研究人員認為，綠藻生產氫氣的效率至少可以提高100倍。 十六、有機廢水發酵法生物製氫氣
最近，以厭氧活性溶液為生產原料的“有機廢水發酵法生物製氫技術”在我國哈爾濱建築大學通過中試研究驗證。 我國工程院院士李圭白教授介紹，該項研究在國內外首創並實現了中試規模連續非固定化菌種長期持續生物製氫技術，是生物製氫領域的一項重大突破，其成果處國際領先地位。 生物製氫思路1966年提出，90年代受到空前重視。 從90年代開始，德、日、美等一些發達國家成立了專門機構，制定了生物製氫發展計劃，以期通過對生物製氫技術的基礎性和應用性研究，在21世紀中葉實現工業化生產。 但時至今日，研究進程並不理想，許多研究還都集中在細菌和酶固定化技術上，離工業化生產還有很大差距，迄今尚無一例中試結果。 哈爾濱建築大學的教授突破了生物製氫技術必須採用純菌種和固定技術的局限，開創了利用非固定化菌種生產氫氣的新途徑，並首次實現了中試規模連續流長期持續產氫。 在此基礎上，他們又先後發現了產氫能力很高的乙醇發酵類型，發明了連續流生物製氫技術反應器，初步建立了生物產氫發酵理論，提出了最佳工程控制對策。 該項技術和理論成果在中試研究中得到了充分驗證：氫氣產率比國外同類的小試研究高幾十倍；開發的工業化生物製氫系統工藝運行穩定可靠，且生產成本明顯低於目前廣泛採用的水電解法。 十七、光解水製氫氣介紹及進展
自地球上出現生命以來，就萬物生長靠太陽。 光合作用是綠色植物和藻類植物在可見光作用下將二氧化碳和水轉化成碳水化合物的過程。 人類賴以生存的能源和材料都直接的和間接的來自光合作用。 石油、煤、天然氣等化石燃料就是自然界留給我們的光合作用的產物。 由於世界的飛速發展，大自然留給我們的能源越來越短缺，這就激發了各國的科學家對光合作用及其模擬的研究，只能從能源上考慮，光解水製造氫是太陽能光化學轉化與儲存的最好途徑。 因為氫燃燒後只生成水，不污染環境，便於儲存和運輸的可再生能源。 如果把太陽能先轉化為電能，則光解水製氫可以通過電化學過程來實現。 綠色植物的光合作用，就是通過葉綠素吸收太陽光，再把光能轉化為電能藉助電子轉移過程將水分解的。 從太陽能利用角度看，光解水製氫過程主要是利用太陽能而不是它的熱能，也就是說，光解水過程中首先應考慮盡可能的利用陽光輻射中的紫外光和可見光部分，據此，太陽能分解水製氫可以通過三種途徑來進行。 ★ 光電化學池：即通過光陽板吸收太陽能並將光能轉化為電能。 光陽板通常為光半導體材料，受光激發可以產生電子——空穴對，光陽極和對極（陰極）組成光電化學池，在電解質存在下光陽極吸光後在半導體帶上產生的電子通過外電路流向對極，水中的質子從對極上接受電子產生氫氣。 ★ 光助絡合催化：即人工模擬光合作用分解水的過程。 從分解水的角度而言，在綠色植物光合作用中，首先是應該光合作用通過光氧化水放氧儲能，然後才是二氧化碳的同化反應。 通過光化學反應儲存了氫，同時也儲存了碳。 太陽能分解水製氫，只需從原理上去模擬光合作用的吸光，電荷轉移，儲能和氧化還原反應等基本物理化學過程。 ★ 半導體催化：半導體光催化在原理上類似於光電化學池，細小的光半導體顆粒可以被看做是一個個微電極懸浮在水中，他們像太陽極一樣在起作用，所不同的是它們之間沒有像光電化學池那樣被隔開，甚至對級也被設想是在同一粒子上。 和光電化學池比較，半導體光催化分解水放氫的反應大大簡化，但通過光激發在同一個半導體微粒上產生的電子——空穴對極易複合。 儘管半導體光催化循環分解水同時放氫放氧未能實現，像絡合物催化光解水一樣必須在反應體系中加入電子給體或受體分別放氫放氧，但半導體光催化的發展去為光催化研究打開了若干新的領域。
氫能，是一種最理想的無污染的綠色能源。 由於氫大量地存在於水中，電解法可從水中獲得氫氣，但電解成本高，而方便廉價的氫氣製備成為各國學者的願望。 1972年，日本本多健一等人利用二氧化鈦（TiO2）半導體作電極，製成太陽能光電化學電池，揭示了利用太陽能直接分解水製氫的可能性。 隨著由電極電解水演變為多相催化分解水以及TiO2以外的光催化劑的相繼發現，日本、歐美等國興起了以光催化方法分解水製氫(簡稱光解水)的研究，並在光催化劑的製備、改性以及光催化理論等方面取得較大進展。
我國在光解水相關研究方面也有特色。 研究表明，Ti02為可用於光解水較適宜的電極材料，但其禁帶寬度為3.2eV，只能吸收太陽光中的紫外光和近紫外光，光電轉換率僅有0.4%左右。 而禁帶寬度在1.8eV左右的半導體作電極，可最大限度地吸收太陽光，提高制氫轉換效率，但這類電極容易產生陽極溶解，發生光腐蝕。 我國的科研人員採用在反應體系中加入電子接受體、在Ti02表面擔載貴金屬、製備二元及多元復合催化劑、摻雜稀土元素、光敏化，以及採用新型的製備方法提高光催化劑的催化活性，先後開發了SrTi03、K4Nb6O17、BaTi409、K3Ta3Si2O13以及具有層間複合結構的CdS/KTiNbO5、CdS／K2Ti39Nb0.1O9/Pt等多種催化劑，取得了很大進展，紫外光照射純水的活性已由最初的幾μmol／goh催化劑增大到幾百μmol／goh
國家自然科學基金項目“光解水用摻雜稀土新型TiO2半導體電極的研究”，採用溶膠－凝膠法、氣相沉積法等在電極中添加不同稀土及其它金屬氧化物，利用稀土的催化活性及擴展材料吸光範圍等特性，製成了TiO2-RE2O3、CdS-Ti02及CdS-W03-Ti02等電極，提高了電極的光電化學性能、耐蝕性、能量轉換效率及使用壽命，取得了較好的效果。 儘管光解水製氫技術距離工業化還有一定差距，但這些科研成果給實現這一目標帶來希望。 科學家希望能找到新的突破口，研製和開發出具有高效率的光解水催化劑，使這一“太陽氫”工程真正能服務於人類。
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