吃香蕉别扔香蕉皮,它有机会让你的汽车跑起来

科技 6个月前 社科兔
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吃香蕉别扔香蕉皮,它有机会让你的汽车跑起来

  吃完香蕉后,我们总是想当然地把香蕉皮扔进垃圾桶。但总有些科学家要做不同寻常的事,再加上他们有“高大上”的装置,所以他们决定看一看,只用氙灯照一下会发生什么。不过,在讲这些科学家做的事情之前,得先知道他们究竟为了什么,非要把香蕉皮放进烘箱里烘一烘?

  撰文 | 王怡博

  审校 | 二七

  看到街上行驶的电动汽车,一些人可能会想:它用的应该是锂电池。毕竟,我们每个人最熟悉不过的就是手上拿着或兜里揣着的“锂电池”(智能手机)。而且,即使是在电动汽车产业,锂电池也占据着领先地位,例如特斯拉采用的动力锂电池。但事实上,锂电池还有一个强劲的对手——氢燃料电池。

  尽管氢燃料电池和锂电池还在争夺未来电动汽车产业的首要地位,但它们倒是有一个共同点:“氢”和“锂”都位于元素周期表的“前排”,分别是第一和第三位。有趣的是,这2种最简单的元素(除去氦)在未来的电动汽车或新能源行业扮演着重要的角色。不过,与锂电池相比,氢燃料电池利用的反应,我们要更熟悉一些。

  氢气是“动力”

  如果你还没有忘记中学化学课本里的“电解水”反应,那么你很容易就能理解氢燃料电池的工作原理——电解水的逆向过程。总的来看,氢气和氧气发生化学反应生成水,同时这部分化学能被转化为了电能。

  此外,相比于锂,氢在动力应用方面的历史更久远。1766年,亨利·卡文迪许(Henry Cavendish)第一次在实验室发现“氢气”这种物质。当时,卡文迪许把稀盐酸滴在锌片上,产生了气泡。他不仅分析了“气泡”,还发现这种气泡可以在燃烧后生成水。

  随后,这种气体便在人类的飞行梦想中,并作为一种升力来源留下了浓墨重彩的一笔。1783年,雅克·查尔斯(Jacques Charles)第一次发明出了氢气球。氢气的质量非常轻,密度也小于空气,因此充满氢气的气球就可以漂浮在空中。在此基础上,亨利·吉法德(Henri Giffard)于1852年制造出了第一架由氢气提供升力的飞艇。这样的飞艇曾在第一次世界大战时,安全转移了3.5万人,没有发生任何事故。但不幸的是,1937年,德国“兴登堡”号飞艇因氢气爆炸而在空中烧毁。自此,以氢气为升力的飞艇时代也画上了句号。

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  但近些年,“氢气能发生燃烧,且燃烧产物只有水”,再次吸引了科学家的注意,尤其是因为水对环境没有危害。这一次,当科学家想把氢气作为动力时,反而要依靠它能燃烧的性质。

  然而,自然界基本不存在氢气。地球上的氢元素多以化合物的形式存在,例如水和有机物。但好消息是,理论上生产氢气并不难,例如第一次发现氢气时,酸和金属铁或锌的反应就产生了氢气。不过,要使用氢气作为能源,还需要找到规模生产的方法。

  制氢面临挑战

  对于氢燃料电池而言,氢气的生产是其中最具挑战性的一环。考虑到化石燃料对环境的影响,科学家一直在寻找替代化石燃料的清洁能源。但他们心目中的清洁能源——氢气,并没有真正摆脱化石燃料的限制:目前工业制氢,主要还是通过甲烷水蒸气重整、石油的催化重整或煤炭气化,但它们的原料仍然是化石燃料。在思考如何制备真正清洁的氢气时,科学家第一个想到的就是课本上的“电解水”实验。

  但工业生产中的电解水制氢并不像在书上画一张示意图,或写一个方程式那么简单。从电极、电解液和催化剂的选择,再到质子交换膜,每一步都还需要优化,因为目前电解水制氢的效率还很低。

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  除了电解水外,还有一种方法也越来越受到科学家的青睐:生物质热裂解。生物质是指通过光合作用形成的各种有机体,例如玉米、落叶、果壳等有机废物。在变成“废物”之前,这些有机体一直在吸收二氧化碳,是天然储存二氧化碳的“容器”。因此,如果直接将有机废物丢弃在环境中,就可能导致大量二氧化碳的释放。碳、氢、氧是构成有机体的主要成分,因此科学家就在想,如果将有机废物收集起来,或许能转变成有用的物质。从中获得氢气也在科学家的计划之中。

  近日,由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)基础科学系的休伯特·吉罗(Hubert Girault)带领的团队开发了一种新的分解生物质的方法。他们利用被视为垃圾的香蕉皮,得到了氢气和一种叫做生物炭的物质。相关研究结果发表于《化学科学》(Chemical Science)杂志。

  用香蕉皮会发生什么?

  在这项研究中,将香蕉皮变成氢气的关键就在于氙灯。氙灯是利用氙气放电而发光的电光源。对于这支研究团队来说,氙灯并不陌生,他们曾经用氙灯制备过纳米颗粒。但在这项研究中,他们决定用大功率氙气闪光灯作为光源,让往往会被扔掉的香蕉皮发生光热解反应,然后看看究竟会产生什么。

  大功率氙气闪光灯不仅能提供功率更高的能量,还能提供短脉冲。换句话说,就是要产生强有力的闪光,以便快速触发香蕉皮的光化学反应。

  在用光照射之前,他们还需要将湿湿的香蕉皮在105摄氏度下烘干,然后把烘干的香蕉皮研磨成粉末。随后,这些粉末被转移至充满惰性气体的不锈钢反应釜中。值得注意的是,这种反应釜能承受一定的压力,且有一个玻璃窗,这让研究人员能实时看到里面发生的变化。然而,普通的反应釜是没有玻璃窗的,因为几个大气压和玻璃的结合还是让许多科学家望而却步。

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  在这种氙气闪光灯下,香蕉皮的转变在14.5毫秒内就结束了。结果是,每千克香蕉皮(干重)产生了约100升氢气和330克生物炭。此外,研究人员认为这些生物炭也是有价值的,例如可以用于改良土壤,也可以用于生产电极,因为许多电池的阴极是碳基材料。

  巴瓦纳·纳加尔(Bhawna Nagar,这项研究的共同作者)认为这项研究最重要的地方是,他们把香蕉皮“储存”的二氧化碳间接转变成了有价值的物质。这也是生物质研究的意义所在。

  这项研究没有采用任何催化剂,只用到了氙灯。但很显然,要想提高氢气的产量,研究人员还需要做更多的工作。“生物质”与“电解水”相似的地方在于,任何一个方面的进步都有可能推动产生新的想法。

  或许哪一天,香蕉皮制氢不再是实验室里的一次小发现,而真的被用于规模产氢了呢?

  封面图片来源:Ton Gregorio/flickr

  参考链接:

  https://doi.org/10.1039/D1SC06322G

  https://techxplore.com/news/2022-01-hydrogen-banana.html

  https://periodic-table.com/hydrogen/#:~:text=Hydrogen%201%20Discovery%20and%20History%20The%20informal%20discovery,Hydrogen%20Gas%20。。。%208%20Isotopes%20of%20Hydrogen%20

  https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen

版权声明:社科兔 发表于 2022年3月16日 上午3:36。
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