吃完香蕉后，我們總是想當(dāng)然地把香蕉皮扔進(jìn)垃圾桶。但總有些科學(xué)家要做不同尋常的事，再加上他們有“高大上”的裝置，所以他們決定看一看，只用氙燈照一下會發(fā)生什么。不過，在講這些科學(xué)家做的事情之前，得先知道他們究竟為了什么，非要把香蕉皮放進(jìn)烘箱里烘一烘？
看到街上行駛的電動汽車，一些人可能會想：它用的應(yīng)該是鋰電池。畢竟，我們每個人最熟悉不過的就是手上拿著或兜里揣著的“鋰電池”（智能手機(jī)）。而且，即使是在電動汽車產(chǎn)業(yè)，鋰電池也占據(jù)著領(lǐng)先地位，例如特斯拉采用的動力鋰電池。但事實(shí)上，鋰電池還有一個強(qiáng)勁的對手 —— 氫燃料電池。
盡管氫燃料電池和鋰電池還在爭奪未來電動汽車產(chǎn)業(yè)的首要地位，但它們倒是有一個共同點(diǎn)：“氫”和“鋰”都位于元素周期表的“前排”，分別是第一和第三位。有趣的是，這 2 種最簡單的元素（除去氦）在未來的電動汽車或新能源行業(yè)扮演著重要的角色。不過，與鋰電池相比，氫燃料電池利用的反應(yīng)，我們要更熟悉一些。
氫氣是“動力”
如果你還沒有忘記中學(xué)化學(xué)課本里的“電解水”反應(yīng)，那么你很容易就能理解氫燃料電池的工作原理 —— 電解水的逆向過程?？偟膩砜?，氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水，同時這部分化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為了電能。
此外，相比于鋰，氫在動力應(yīng)用方面的歷史更久遠(yuǎn)。1766 年，亨利?卡文迪許（Henry Cavendish）第一次在實(shí)驗室發(fā)現(xiàn)“氫氣”這種物質(zhì)。當(dāng)時，卡文迪許把稀鹽酸滴在鋅片上，產(chǎn)生了氣泡。他不僅分析了“氣泡”，還發(fā)現(xiàn)這種氣泡可以在燃燒后生成水。
隨后，這種氣體便在人類的飛行夢想中，并作為一種升力來源留下了濃墨重彩的一筆。1783 年，雅克?查爾斯（Jacques Charles）第一次發(fā)明出了氫氣球。氫氣的質(zhì)量非常輕，密度也小于空氣，因此充滿氫氣的氣球就可以漂浮在空中。在此基礎(chǔ)上，亨利?吉法德（Henri Giffard）于 1852 年制造出了第一架由氫氣提供升力的飛艇。這樣的飛艇曾在第一次世界大戰(zhàn)時，安全轉(zhuǎn)移了 3.5 萬人，沒有發(fā)生任何事故。但不幸的是，1937 年，德國“興登堡”號飛艇因氫氣爆炸而在空中燒毀。自此，以氫氣為升力的飛艇時代也畫上了句號。
但近些年，“氫氣能發(fā)生燃燒，且燃燒產(chǎn)物只有水”，再次吸引了科學(xué)家的注意，尤其是因為水對環(huán)境沒有危害。這一次，當(dāng)科學(xué)家想把氫氣作為動力時，反而要依靠它能燃燒的性質(zhì)。
然而，自然界基本不存在氫氣。地球上的氫元素多以化合物的形式存在，例如水和有機(jī)物。但好消息是，理論上生產(chǎn)氫氣并不難，例如第一次發(fā)現(xiàn)氫氣時，酸和金屬鐵或鋅的反應(yīng)就產(chǎn)生了氫氣。不過，要使用氫氣作為能源，還需要找到規(guī)模生產(chǎn)的方法。
制氫面臨挑戰(zhàn)
對于氫燃料電池而言，氫氣的生產(chǎn)是其中最具挑戰(zhàn)性的一環(huán)。考慮到化石燃料對環(huán)境的影響，科學(xué)家一直在尋找替代化石燃料的清潔能源。但他們心目中的清潔能源 —— 氫氣，并沒有真正擺脫化石燃料的限制：目前工業(yè)制氫，主要還是通過甲烷水蒸氣重整、石油的催化重整或煤炭氣化，但它們的原料仍然是化石燃料。在思考如何制備真正清潔的氫氣時，科學(xué)家第一個想到的就是課本上的“電解水”實(shí)驗。
但工業(yè)生產(chǎn)中的電解水制氫并不像在書上畫一張示意圖，或?qū)懸粋€方程式那么簡單。從電極、電解液和催化劑的選擇，再到質(zhì)子交換膜，每一步都還需要優(yōu)化，因為目前電解水制氫的效率還很低。
除了電解水外，還有一種方法也越來越受到科學(xué)家的青睞：生物質(zhì)熱裂解。生物質(zhì)是指通過光合作用形成的各種有機(jī)體，例如玉米、落葉、果殼等有機(jī)廢物。在變成“廢物”之前，這些有機(jī)體一直在吸收二氧化碳，是天然儲存二氧化碳的“容器”。因此，如果直接將有機(jī)廢物丟棄在環(huán)境中，就可能導(dǎo)致大量二氧化碳的釋放。碳、氫、氧是構(gòu)成有機(jī)體的主要成分，因此科學(xué)家就在想，如果將有機(jī)廢物收集起來，或許能轉(zhuǎn)變成有用的物質(zhì)。從中獲得氫氣也在科學(xué)家的計劃之中。
近日，由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）基礎(chǔ)科學(xué)系的休伯特?吉羅（Hubert Girault）帶領(lǐng)的團(tuán)隊開發(fā)了一種新的分解生物質(zhì)的方法。他們利用被視為垃圾的香蕉皮，得到了氫氣和一種叫做生物炭的物質(zhì)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《化學(xué)科學(xué)》（Chemical Science）雜志。
用香蕉皮會發(fā)生什么？
在這項研究中，將香蕉皮變成氫氣的關(guān)鍵就在于氙燈。氙燈是利用氙氣放電而發(fā)光的電光源。對于這支研究團(tuán)隊來說，氙燈并不陌生，他們曾經(jīng)用氙燈制備過納米顆粒。但在這項研究中，他們決定用大功率氙氣閃光燈作為光源，讓往往會被扔掉的香蕉皮發(fā)生光熱解反應(yīng)，然后看看究竟會產(chǎn)生什么。
大功率氙氣閃光燈不僅能提供功率更高的能量，還能提供短脈沖。換句話說，就是要產(chǎn)生強(qiáng)有力的閃光，以便快速觸發(fā)香蕉皮的光化學(xué)反應(yīng)。
在用光照射之前，他們還需要將濕濕的香蕉皮在 105 攝氏度下烘干，然后把烘干的香蕉皮研磨成粉末。隨后，這些粉末被轉(zhuǎn)移至充滿惰性氣體的不銹鋼反應(yīng)釜中。值得注意的是，這種反應(yīng)釜能承受一定的壓力，且有一個玻璃窗，這讓研究人員能實(shí)時看到里面發(fā)生的變化。然而，普通的反應(yīng)釜是沒有玻璃窗的，因為幾個大氣壓和玻璃的結(jié)合還是讓許多科學(xué)家望而卻步。
在這種氙氣閃光燈下，香蕉皮的轉(zhuǎn)變在 14.5 毫秒內(nèi)就結(jié)束了。結(jié)果是，每千克香蕉皮（干重）產(chǎn)生了約 100 升氫氣和 330 克生物炭。此外，研究人員認(rèn)為這些生物炭也是有價值的，例如可以用于改良土壤，也可以用于生產(chǎn)電極，因為許多電池的陰極是碳基材料。
巴瓦納?納加爾（Bhawna Nagar，這項研究的共同作者）認(rèn)為這項研究最重要的地方是，他們把香蕉皮“儲存”的二氧化碳間接轉(zhuǎn)變成了有價值的物質(zhì)。這也是生物質(zhì)研究的意義所在。
這項研究沒有采用任何催化劑，只用到了氙燈。但很顯然，要想提高氫氣的產(chǎn)量，研究人員還需要做更多的工作?！吧镔|(zhì)”與“電解水”相似的地方在于，任何一個方面的進(jìn)步都有可能推動產(chǎn)生新的想法。
或許哪一天，香蕉皮制氫不再是實(shí)驗室里的一次小發(fā)現(xiàn)，而真的被用于規(guī)模產(chǎn)氫了呢？
參考鏈接：
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
本文來自微信公眾號：環(huán)球科學(xué) （ID：huanqiukexue），撰文：王怡博，審校：二七
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