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格蘭姆斯試驗所用的設備

用于將“水變燃料”實驗的二氧化鈦鈉鈉米管

 

    最新一期《自然》雜志報道了美國賓西法尼亞州立大學教授克雷格·格蘭姆斯的“水變油”實驗：賓西法尼亞大學操場內，上演了一幕讓人瞠目結舌的奇跡。研究者將二氧化碳和水蒸氣裝入一種納米試管中，在光的作用下，開始發生化學反應，轉化成俗稱“天然氣”的甲烷。近日，格蘭姆斯接受了記者的采訪。

 

    1996年，美國上映了一部名叫《鏈式反應》的科幻影片，說的是芝加哥大學的一群科學家，搞出了一種全新的能源技術，這種技術能夠從水里提取出無窮無盡廉價而又環保的燃料。結果，當負責這個項目的科學家，打算向外發布新聞時，一群蒙面殺手從天而降，炸毀了整個實驗室，“水變油”技術灰飛煙滅。

 

    13年后，原本只會在科幻片中出現的“水變油”技術變成現實，他的發明者同樣是美國高校的一群科學家。賓西法尼亞州立大學材料工程學教授克雷格·格蘭姆斯和他在賓西法尼亞州立大學的同事們一起在學校的草地內，用二氧化鈦納米管(大約135 納米寬，0.1毫米長)去催化水蒸氣和二氧化碳，結果喜出望外地得到想要的結果——碳氫化物。

 

    “這是一個相當艱難的項目，我們為此研究超過一年半，而且是在完全沒有先例參考的情況下完成的。”格蘭姆斯告訴記者，盡管在他之前，已經有科學家提出了用二氧化鈦納米顆粒催化反應，但由于催化效果不明顯，科學家普遍認為這一研究沒有任何價值。對此，格蘭姆斯卻提出不同觀點。經過無數次的失敗嘗試，他發現當水蒸氣和二氧化碳通過二氧化鈦納米管，同時引入氮氣，另外在納米管的表面負載了銅和鉑的納米顆粒，生成碳氫化學物的速度比以前快了20倍左右。

 

    “蚊型”團隊的大成果

 

    格蘭姆斯教授帶領的研究團共有12人，“水變油”項目只是整個研究項目中的一小部分，只有4人參與，和一般隊伍龐大的科研團隊相比，只能算一個“蚊型”團隊。“我主管項目研發，研究員Oomman Varghese負責研發，他的助手研究生Thomas La Tempa，最后一個成員是擅長納米管研究的Maggie Paulose。”

 

    在開始“水變油”研究項目前，格蘭姆斯發明了一種名叫“利用可見光分解水”的新技術，這為“水變油”提供了基礎的技術保障。2007年7月，格蘭姆斯在《納米快報》(Nano Letters) 上發文稱，由自動排列、垂直定向的鈦鐵氧化物納米管陣列組成的薄膜，可在太陽光的照射下將水分解為氫氣和氧氣。

 

    2008年夏天，格蘭姆斯在賓西法尼亞州立大學進行實驗。首先，他向鋼管內通入二氧化碳和水蒸氣，用納米管薄膜覆蓋住儀器的后部，然后在容器頂部安裝石英窗戶使陽光進入。隨后，把這個封閉的儀器在天氣好的時候放置在室外的校園內。“當陽光照射在納米管上時，納米管釋放出高能量的載荷子，使得水分子分解為氫氧自由基和氫離子。二氧化碳分解后的產物——氧氣、一氧化碳和氫氣后，就反應生成了甲烷和水。”

 

    “每克二氧化鈦納米管，大約每小時生成160毫升碳氫化學物。這個反應速率至少要快于先前在紫外線下得到的結果20倍。”格蘭姆斯指出，在整個反應后期，銅和鉑催化作用明顯，但由于鉑的價格昂貴，如何減少鉑含量而使得催化效果不變，仍值得研究。