氢社会的新通道

　　丰田鼓吹的“氢社会”，一度被欧洲媒体批为“岛国迷思”。至少欧洲人有一点说对了，迄今为止，丰田的庞大计划追随者寥寥。抛开清洁能源美好未来的种种感性描述，氢社会的根基——如何以廉价、清洁的方式获得氢，并未得到解决。这使该宏大构想蒙上阴影。

　　丰田明白，在西澳洲的煤层中获取氢，是不可持续的商业行为。虽然目前这种方式的成本最低、煤层气田的储量丰富，但握有煤田股份的日本商社，正在面临州政府和当地民众越来越大的环保压力。同时，脆弱的LNG船运输方式，使其无法与成熟的原油运输竞争。更重要的是，这种方式削弱了氢社会的感召力：终极清洁能源的来源不够清洁。

　　为什么不利用太阳能？将太阳能直接转化成电能，就是光伏电池。电池容量的限制，使得太阳能的大规模储存仍然无法解决。对目前的商业化的技术而言，今天太阳能仍然是一种“不用就作废”的即时能源。而自然界早就进化出完美解决方案：光合作用，其中的关键是叶绿素。叶绿体受到光照，能将水分解为氧气和氢离子和电子。随后，氢离子和电子与叶片吸收的二氧化碳一起，被酶合成糖类。最后，氧气被释放出去，糖类则留在植物体内被植物使用。

　　尽管美国、瑞典、日本的科学家都模拟了大自然的神奇过程，并声称氢转化率接近生物水平，但他们都做不到像绿色植物那样，在各种天气条件下、在宽泛的温度下，始终保持转化速率。

　　如果只为了生产氢气，人类只须做到光合作用的第一步——将水分解，就可以了。实际上日本的东芝和松下走得更远，他们企图令氢离子和二氧化碳反应，生成化合物，诸如甲酸、一氧化碳，进而生产醇类和乙烯。而乙烯是最重要的基础化合物，一直从石油中提炼，而现在有了更为环保的方式。

　　看上去科学家们正在模拟光合作用的全过程。为了提高转化率，人们使用了各种催化剂。实际上，正是催化剂的选择标志了不同技术路线，对催化剂的研究一度构成激烈竞争局面。

　　“常规路数”下，大致有硅基和钛基两种。

　　柏林工大和麻省的研究团队都采用了太阳能硅板覆盖一层金属氧化物的方式，太阳能板浸入水中。不同的是，德国人用的氧化物是便宜的钒酸铋，而美国人则用了昂贵的砷化镓。不过，德国人的电池板转化率不如后者。

　　在人工光合作用领域，日本领先全世界。上世纪70年代，东京大学的本多教授及其学生腾岛发现氧化钛作为催化剂照射阳光后，可以促使水分解为氢气和氧气。该反应被命名为“本多腾岛效应”。自那以后，日本积累了丰富的光催化剂研究经验。

　　松下和东芝都采用非晶硅催化剂。钛基催化剂的缺点是只对阳光中占比3%的紫外线有反应，而非晶硅则能利用可见光中54%。东芝更胜一筹，在光合作用的第二阶段（制备一氧化碳）使用了“纳米金”作为催化剂，提高反应效率。可惜经过纳米表面加工的金箔太贵了，不适合推广使用。

　　不过，无论是日本投入重金的新能源产业技术综合开发（NEDO）项目，还是紧随其后的美国人，都没能做到将这项技术“工业化”。他们只能在实验室里用小型反应釜和模拟光线生成少量氢气。如果容器尺寸大一些，阳光就无法充分接触催化剂，反应效率也就变得不稳定，无法实现他们宣称的转化率。何况，丰田认为，只有转化率达到10%左右，才具备和LNG成本竞争的资格。丰田希望在2021年实现这一转化率，但其所有的合作伙伴都未能就这一前景发表看法。

　　更要命的是，无论前面提到的那些催化剂，还是休斯顿大学提出的氧化钴晶体催化剂，或者东大和三菱联合研究小组提出的镧、铋光触媒，都无法避免催化剂本身的迅速劣化。参与反应一至数小时后，几乎所有催化剂都失去了活性。大家又都一窝蜂地去研究“助催化剂”，以期保持催化剂不被腐蚀或者氧化。

　　如果在反应规模和催化剂活性问题上无法取得期待已久的突破，可能会导致丰田规划的2030年普及氢燃料的设想大大推迟。燃料电池车只是庞大构想的投射而已，真正赚大钱的是氢社会的庞大基础设施。

　　日本是距离氢社会最近的国家，氢气的太阳能制备不仅具备环保意义，更有利于巩固丰田的“氢权杖”。丰田可能早就盘算了在届时160万亿日元的氢市场中，自己将占据多少份额。眼下技术发展的不顺利，多少打击了丰田的兴头。丰田必须对停滞不前的该项研究提供更有力的支持，而不是坐等技术成熟后摘桃子。

　　本刊记者/黄耀鹏