最近，科學(xué)家找到了一種簡單實(shí)惠的方法將水分解成氫氣和氧氣，這種方法的原理和光合作用差不多，只是將太陽能轉(zhuǎn)化了可燃燒的氫氣和氧氣。
2008 年8 月6 日，美國麻省理工大學(xué)的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)再現(xiàn)了光合作用的過程，在整個(gè)過程中光合作用將水分解成氫和氧，并產(chǎn)生了可供燃燒的氫氣和氧氣。該實(shí)驗(yàn)的意義在于光合作用產(chǎn)生的能量能夠被人類利用，這種技術(shù)將引發(fā)一場(chǎng)太陽能使用的大革命，以補(bǔ)償煤炭、石油等不可再生資源的消耗。
光合作用反應(yīng)器
資源豐富、無毒、無污染??作為一種理想的新能源，氫氣密度最小、在自然界存在豐富、發(fā)熱值高、燃燒性能好，本身無毒，燃燒時(shí)產(chǎn)物為水、不會(huì)產(chǎn)生污染物質(zhì)、燃燒生成的水可繼續(xù)制氫，反復(fù)循環(huán)使用等顯著特點(diǎn)。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，氫即用作A-2 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液體推進(jìn)劑。目前液氫已被廣泛用作火箭和航天動(dòng)力的燃料。世界各國對(duì)開發(fā)利用氫能都十分重視，投入了不少人力、財(cái)力、物力，并且已取得了多方面的進(jìn)展。氫氣實(shí)在是一種理想的能量來源，只是人們一直未能找到不消耗其他能源而大量獲取氫氣的方法。
40 多年前人們發(fā)現(xiàn)綠藻在無氧條件下，經(jīng)太陽光照射可以放出氫氣；10 年前又發(fā)現(xiàn)，藍(lán)綠藻等許多藻類在無氧環(huán)境中適應(yīng)一段時(shí)間，在一定條件下都有光合放氫作用。目前，科學(xué)家已經(jīng)成功地通過模擬光合作用進(jìn)程，在實(shí)驗(yàn)室制造出了氫氣。
只用水、陽光和藻類就能生產(chǎn)出能量！聽起來多么異想天開。然而科學(xué)家在微型藻類上的實(shí)驗(yàn)證明，這個(gè)看似荒誕的夢(mèng)想并非絕無實(shí)現(xiàn)可能。事實(shí)上，微型藻類家族中的一小部分成員本身就能夠天然地生產(chǎn)氫氣，而氫氣正是當(dāng)前被普遍看好的石油替代能源。隨著化石能源儲(chǔ)備的減少和全球氣候變化，世界上許多實(shí)驗(yàn)室都在試圖進(jìn)一步了解藻類放氫這一生物過程，以便對(duì)其加以利用，從而滿足人類對(duì)能源的需求。研究的最終目標(biāo)是，將這些藻類培養(yǎng)在巨大的光合作用反應(yīng)器中，在陽光的照射下，產(chǎn)生大量“潔凈”氫氣，既不需要電，也不會(huì)釋放溫室氣體。
克服生物限制
光合作用放氫現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于1939 年。當(dāng)年，芝加哥大學(xué)的研究員漢斯首先發(fā)現(xiàn)，一種單細(xì)胞綠藻——萊茵衣藻，有時(shí)候會(huì)停止產(chǎn)生氧氣轉(zhuǎn)而釋放氫氣。不過這種與氫化酶（無氧條件下的一種活性酶）相關(guān)的反應(yīng)極其短暫，轉(zhuǎn)瞬即逝。直至近年來，這方面的研究才有了重大突破。科學(xué)家們終于掌握了一些經(jīng)驗(yàn)，使這一氫合成過程得以延長，開辟出生物科技應(yīng)用前景。
以著名的萊茵衣藻為例，看看氫氣究竟是如何產(chǎn)生的。衣藻是一種直徑為10 微米的單細(xì)胞生物，有兩根鞭毛。由于其結(jié)構(gòu)簡單，50 多年來科學(xué)家們一直喜歡用衣藻作為研究模型，并昵稱它為“ 綠色酵母”。在美國能源部基因研究所的協(xié)調(diào)下，世界各地的百余名科學(xué)家日前完成了對(duì)衣藻全部基因組的測(cè)序。作為一種植物，衣藻從光合作用中獲取養(yǎng)料、生長發(fā)育。在光線的作用下，它吸收周圍環(huán)境中的水和二氧化碳，通過反應(yīng)生成有機(jī)分子，主要為糖類。這種由光能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換發(fā)生在細(xì)胞的特殊隔室即葉綠體內(nèi)。衣藻僅含有一個(gè)鐘狀葉綠體，那里就是反應(yīng)、產(chǎn)生氫氣的所在。
光能被葉綠體膜吸收，導(dǎo)致水光解，衣藻釋放出氧氣和電子。然后，在葉綠體的類囊體中，電子流將二氧化碳合成糖類。此時(shí)氫化酶的介入能夠保證這兩個(gè)過程的有效銜接。酶的功能有如安全閥門，在光線的作用下，電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)立即發(fā)生，而糖類合成則啟動(dòng)得慢得多。因而這里存在一個(gè)關(guān)鍵階段，在這個(gè)階段里過量的電子對(duì)藻類是有毒的，應(yīng)該被驅(qū)散。而氫化酶能夠吸收電子，制造氫氣，從而避免了系統(tǒng)運(yùn)行的阻塞。
問題在于，由于水光解釋放出的氧氣很快就會(huì)抑制酶的作用，氫氣的制造在幾分鐘之后就會(huì)中止。此時(shí)光合作用中的電子傳遞鏈提供的電子，就會(huì)被有機(jī)物利用來幫助吸收二氧化碳形成糖類。這兩種反應(yīng)機(jī)制對(duì)電子的爭(zhēng)奪，決定了氫化酶的活動(dòng)僅僅是暫時(shí)的。
效率有待提高
簡而言之，光合作用為酶提供電子，酶依賴于光合作用；反過來，光合作用產(chǎn)生的氧氣又抑制了酶的活動(dòng)。在研究如何提高光合反應(yīng)器的效率之前，科學(xué)家們的首要任務(wù)便是克服這一重要的生物限制。為了做到這一點(diǎn)，目前有兩條途徑。
第一種途徑是將氫化酶與光合作用分離。也就是說，將藻類的生長期（在光合作用下）與氫氣的產(chǎn)生階段（無光合作用參與）分離，讓氫化酶有充分時(shí)間發(fā)揮作用。事實(shí)上早在2000年，科學(xué)家就曾設(shè)計(jì)過一個(gè)分離方案：將衣藻浸泡在一個(gè)無硫的環(huán)境中，藻類產(chǎn)生應(yīng)激性反應(yīng)，光合作用被削弱（因此氧氣排放量減少），呼吸作用增強(qiáng)（消耗掉更多氧氣）。這樣，衣藻很快處于有利于制氫的厭氧環(huán)境中。遺憾的是，這種環(huán)境對(duì)于衣藻來說十分不利，它的生長受阻，很快就會(huì)死去。
相比之下，另外一種途徑更為有效。這種方法關(guān)注的是一個(gè)對(duì)光合作用很重要的基因。通過對(duì)葉綠體基因的控制，使這個(gè)基因處在啟動(dòng)基因的調(diào)控下，當(dāng)銅元素缺乏時(shí)啟動(dòng)基因被激活，當(dāng)銅元素介入時(shí)啟動(dòng)基因受到抑制。這個(gè)啟動(dòng)基因就相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)。在沒有銅元素介入時(shí)，藻類生長，基因開始表達(dá)，光合作用發(fā)生。添加銅元素啟動(dòng)基因抑制，光合作用中斷，氫化酶接力繼續(xù)工作。更有趣的是，由于啟動(dòng)基因同樣對(duì)氧氣敏感，光合作用（產(chǎn)生氧氣）和自身的呼吸作用（消耗氧氣）的彼此交替，可使開關(guān)打開或閉合。整個(gè)過程不需要人為地對(duì)銅進(jìn)行控制，構(gòu)成一個(gè)可持續(xù)循環(huán)運(yùn)行的系統(tǒng)。然而，目前的反應(yīng)效率僅能勉強(qiáng)達(dá)到0.5%～3%，要實(shí)現(xiàn)工程化產(chǎn)氫達(dá)到10%以上還有相當(dāng)大的距離。
產(chǎn)氫新途徑
光合作用廣泛存在于自然界，葉綠體收集太陽光能，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物（葡萄糖），并釋放出氧氣。但這只是最終結(jié)果，整個(gè)過程一開始是將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣、自由的質(zhì)子和電子。在光合作用中產(chǎn)生了兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)，葉綠素分子失去兩個(gè)電子，水分子發(fā)生分解。盡管光合作用在各種教科書中都得到了詳盡的闡述，但是想人工實(shí)現(xiàn)這一過程卻絕非易事，主要的問題在于缺少有效地電解水的媒介，在植物中充當(dāng)這一媒介的是葉綠體。
眾所周知，水能夠電解成氫和氧，但整個(gè)過程毫無意義。為了提高這一性能，化學(xué)家們提供了能促使反應(yīng)在更低電壓情況下分解的催化劑。用釕和鉑充當(dāng)這種媒介，當(dāng)然這兩種金屬都很昂貴。除此之外，反應(yīng)要進(jìn)行還需要特定的溫度條件和氣壓。
目前，科學(xué)家已經(jīng)找到了加速水電解的另一個(gè)好方法。他們把銦和錫的氧化物做成的電極放置在鈷離子和磷酸鉀的水溶液中，然后在溶液中通入太陽能電池的電流，這樣相當(dāng)于葉綠體的觸媒就產(chǎn)生了。與此同時(shí)，水分解成氧氣和自由的氫離子，這些氫離子聚集在電極上，并在那里形成氫氣。白天，用通常方法獲得的太陽能一部分可用于日常所需要，一部分用來將水分解成氫氣和氧氣，并將氫氣儲(chǔ)存起來。晚上，氫氣和氧氣作為燃料用來發(fā)電。
自由的氫離子和氧能夠轉(zhuǎn)化為燃料用來發(fā)電。整個(gè)過程發(fā)生在正常的大氣壓環(huán)境和溫度內(nèi)。媒介中的物質(zhì)在反應(yīng)過程中失去了自己的特性，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束時(shí)又恢復(fù)到原來的樣子。這和自然界的葉綠素一樣。研究證明，能夠使用相對(duì)便宜的媒介，并以此為基礎(chǔ)在通常條件下得到光合作用的光能?？茖W(xué)家已經(jīng)為此制定了進(jìn)一步的研究計(jì)劃。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬光合作用的過程是利用太陽能歷史上的一個(gè)巨大創(chuàng)舉，這將使氫氣生產(chǎn)成為可能，并使太陽能利用步入新的時(shí)代。實(shí)現(xiàn)工程化產(chǎn)氫的那一天已不再遙遠(yuǎn)！