最新一期《自然》雜志報道了美國賓西法尼亞州立大學(xué)教授克雷格.格蘭姆斯的“水變油”實(shí)驗：賓西法尼亞大學(xué)操場(chǎng)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(kāi)始發(fā)生化學(xué)反應，轉化成俗稱(chēng)“天然氣”的甲烷。近日，格蘭姆斯接受了《外灘畫(huà)報》的采訪(fǎng)。
文/ 周一妍 圖片提供/ 克雷格.格蘭姆斯
1996 年，美國上映了一部名叫《鏈式反應》的科幻影片，說(shuō)的是芝加哥大學(xué)的一群科學(xué)家，搞出了一種全新的能源技術(shù)，這種技術(shù)能夠從水里提取出無(wú)窮無(wú)盡廉價(jià)而又環(huán)保的燃料。結果，當負責這個(gè)項目的科學(xué)家，打算向外發(fā)布新聞時(shí)，一群蒙面殺手從天而降，炸毀了整個(gè)實(shí)驗室，“水變油”技術(shù)灰飛煙滅。
13 年后，原本只會(huì )在科幻片中出現的“水變油”技術(shù)變成現實(shí)，他的發(fā)明者同樣是美國高校的一群科學(xué)家。賓西法尼亞州立大學(xué)材料工程學(xué)教授克雷格.格蘭姆斯和他在賓西法尼亞州立大學(xué)的同事們一起在學(xué)校的草地內，用二氧化鈦納米管（大約135 納米寬，0.1 毫米長(cháng)）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。
格蘭姆斯試驗所用的設備
用于將“水變燃料”實(shí)驗的二氧化鈦鈉鈉米管
“ 這是一個(gè)相當艱難的項目，我們?yōu)榇搜芯砍^(guò)一年半，而且是在完全沒(méi)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(jīng)有科學(xué)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(xué)家普遍認為這一研究沒(méi)有任何價(jià)值。對此，格蘭姆斯卻提出不同觀(guān)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)無(wú)數次的失敗嘗試，他發(fā)現當水蒸氣和二氧化碳通過(guò)二氧化鈦納米管，同時(shí)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(xué)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(lǐng)的研究團共有12 人，“水變油”項目只是整個(gè)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(gè)“蚊型”團隊?！拔抑鞴茼椖垦邪l(fā)，研究員Oomman Varghese 負責研發(fā)，他的助手研究生Thomas LaTempa，最后一個(gè)成員是擅長(cháng)納米管研究的MaggiePaulose?！?br>
在開(kāi)始“水變油”研究項目前，格蘭姆斯發(fā)明了一種名叫“利用可見(jiàn)光分解水”的新技術(shù)，這為“水變油”提供了基礎的技術(shù)保障。2007 年7 月，格蘭姆斯在《納米快報》(Nano LettersJournal) 上發(fā)文稱(chēng)，由自動(dòng)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(yáng)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(xué)進(jìn)行實(shí)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(hù)使陽(yáng)光進(jìn)入。隨后，把這個(gè)封閉的儀器在天氣好的時(shí)候放置在室外的校園內?！爱旉?yáng)光照射在納米管上時(shí)，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。當二氧化碳分解后的產(chǎn)物——氧氣、一氧化碳和氫氣后，就反應生成了甲烷和水?！?br>
“每克二氧化鈦納米管，大約每小時(shí)生成160 毫升碳氫化學(xué)物。這個(gè)反應速率至少要快于先前在紫外線(xiàn)下得到的結果20 倍?！?，格蘭姆斯指出，在整個(gè)反應后期，銅和鉑催化作用明顯，但由于鉑的價(jià)格昂貴，如何減少鉑含量而使得催化效果不變，仍值得研究。
“還不具備拯救人類(lèi)的能力” 在《鏈式反應》中，殺手“香農博士”這樣說(shuō)：搞出“水變油”技術(shù)當然是好事，但當今社會(huì )的能源支柱是石油！如果“水變油”技術(shù)向外公布，所有的石油產(chǎn)業(yè)將會(huì )在一夜之間倒閉！美國的股市會(huì )在第二天崩盤(pán)！金融體系將會(huì )癱瘓！整個(gè)社會(huì )就會(huì )陷于騷亂！所以說(shuō)，“水變油”技術(shù)必須被雪藏，等到石油耗竭時(shí)，才可以問(wèn)世。
當記者問(wèn)及格蘭姆斯是否擔心“水變油”技術(shù)對于能源行業(yè)的顛覆性影響，他的回答卻頗為謹慎，他承認目前催化劑的效率仍然很低，“目前為止，我們還不具備拯救人類(lèi)的能力”。
然而，格蘭姆斯對未來(lái)的研究持樂(lè )觀(guān)態(tài)度。他向記者講述了他未來(lái)的三步計劃：第一步是給納米管安裝感應器，讓它更好地起到光導作用；再者，通過(guò)在納米管的表面更平均地沉淀銅納米顆粒；第三，使用實(shí)惠的太陽(yáng)能光電板，這樣一來(lái)，可以更長(cháng)時(shí)間給薄膜照明?！敖Y合其他一些改進(jìn)，轉化速率還能成倍提高?！?br>
格蘭姆斯還指出，“水變油”技術(shù)順帶提供給二氧化碳一個(gè)絕佳的處理方式?！拔蚁嘈湃绻幸粋€(gè)集中的二氧化碳來(lái)源，就像煤電廠(chǎng)一樣，這個(gè)生產(chǎn)工藝就能得到工業(yè)應用?！?br>
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)校的物理化學(xué)家Michael Gr tzel 稱(chēng)這個(gè)結果是基礎性的研究，它表明納米管通過(guò)變化試驗，能讓“水變油”具備更高的轉化效率?？屏_拉多州葛爾登市的國家可再生能源實(shí)驗室的電子化學(xué)家約翰。特納也表示，這是很好的工作，很有科學(xué)性。但他指出，處理二氧化碳，或許還有更好的方法?，F在已有人通過(guò)工業(yè)生產(chǎn)，把二氧化碳變?yōu)楹铣蓺?，而且可以在同一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中把合成氣轉化為液態(tài)碳氫化合物，而格蘭姆斯的實(shí)驗則需要依靠太陽(yáng)光提供轉換條件，這樣一來(lái)，二氧化碳轉換為碳氫化合物，就變成了間斷性生產(chǎn)過(guò)程。
