氢能时代拔鸡毛

难贮存是氢成为新能源主角的绊脚石。现在好了,有人发现鸡毛能存氢。

记得把鸡圈、墙角里的鸡毛留着,不为羽扇纶巾,不为印第安头带,只为了用它们装氢气。氢这种在贮存和运输中每一刻都伴随高危的能源,因为太矫情,即使洁净、高效、丰富,在新能源领域也一直混得不好。氢气和氧、一氧化碳混合―爆炸;小小的电火花―爆炸;压缩过度―爆炸。此外,燃烧的时候无色无味,神不知鬼不觉。

拿什么来运输你、贮存你,宇宙中的氢气?

氢气突破了钢板

钢瓶是最初的选择,就像我们能在卖氢气球的小摊上看到的充气瓶。但是,不论橡胶还是钢片,都留不住氢气。

它会从那些人眼看不到的橡胶缝隙中溜走,而高温高压下,即使厚实的钢板也阻挡不住氢的去路。

直到碳纳米管出现,氢气才能老实呆着。碳纳米管的管身由一个又一个五边形组成,包括很多层,层与层之间只有不超过1纳米的间隔,中空层状结构让氢气有很多“房间”留宿,而逃逸出去的线路又复杂曲折,像走迷宫。

但是,当用碳纳米管做成的储氢容器应用在驱动汽车上,人们发现“问题很严重”。“为一辆汽车配备一个装满碳纳米管的燃料箱的成本将是550万美元。”美国德拉维尔大学(University of Delaware)的化学工程师理查德•伍尔(Richard Wool)估算。他花了两年时间寻找降低成本的方法,曾尝试过塑料等其他高分子聚合物来储存密度相当于空气1/14的氢气,使成本降至2万美元。可是,一个燃料箱就要这个价,没有多少人能够消受。幸运的是,伍尔现在发现了只需200美元就能搞定的材料―鸡毛。

拔了鸡毛当令箭

鸡毛的纤维结构和碳纳米管惊人地相似,在理查德•伍尔眼里,鸡毛就是督促他向氢时代狂奔的“令箭”。

全球每年要产生170亿千克鸡毛,这种通常被当作农场垃圾的纤维几乎完全由角蛋白构成,这是一种存在于毛发、爪和蹄等表皮中的蛋白质,“在人类的头发和指甲中也能发现这种蛋白质”。真正的神奇发生在高温分解之后,伍尔发现,在无氧的环境下加热这种蛋白质,它们变成了直径只有六百万分之一米的空管,管壁上还分布着许多微小的孔,温度越高,孔越多。这几乎是不要钱的碳纳米管。

实现的关键则是掌握温度。伍尔和研究员们尝试先把羽毛加热到大约215℃,这个温度刚刚好,“太高,会熔化纤维,无法形成我们想要的结构;太低,就无法巩固已经形成的结构。”中空结构和微小的孔形成之后,他们把继续加热材料,当温度到达400℃和450℃之间时,小孔增加,氢气可以吸附的表面积增加,这就相当于有更多房间让氢气住进去。

伍尔把这整个过程称为“碳化”,碳化是为让鸡毛坚挺。碳化后的鸡毛可以储存相当于自身重量1.5%的氢气。汽车行驶480千米需要大约4.5千克氢气。照此推算,如果要从北京开一辆氢燃料电动车去济南,我们需要一个284升的燃料箱,里面装着大约300千克的碳化鸡毛。虽然这既没有达到美国能源部规定的氢气燃料的成本价格标准,也不符合现实,但仍然可谓是氢能源贮存技术上的一大进步了。在碳纳米管和碳化鸡毛还没有出现的时候,一个75升的氢燃料箱在室温和室压下只能让一辆氢动力车行驶1千米左右。

目前,伍尔正在致力于解决车载存储量的问题,他的信心显然大于失望。研究人员也表示,不要忘了,温度增加的时候,让氢气吸附的小孔可是在不断增加,“除了加热之外,我们还在尝试用其他的方法提高碳化鸡毛储氢的能力。”

羽毛织就氢生活

使用碳化鸡毛做容器,能够让氢气在各个领域露相的机会大大增加。在火箭发射基地、在工厂冶炼和切割金属、精炼石油、造氢气飞艇、脆化奶油的时候,都将会看到装满碳化鸡毛的容器。也许满大街都是氢燃料动力车的日子也不远了,它们喝进去的是氢气,吐出来的是热量和水,无毒无味,只需在开动时,往燃料箱里装些鸡毛。

用碳化鸡毛储存氢气,证明了化学研究同样可以对环境很友好。这也正是理查德•伍尔所研究的“绿色化学”的含义,生产和设计化学合成物的过程中,减少有害物质的释放,天然合成,没有污染,并且可持续和再生。

正忙着帮鸡毛申请专利的理查德•伍尔表示,要想过上“氢生活”,就要更加了解鸡毛。除了碳化鸡毛储存氢气之外,伍尔工程师的实验室还在研究用鸡毛纤维做的绿色屋顶,用碳化鸡毛取代计算机芯片,用植物油做橡胶涂料和胶粘剂等,看起来这些研究对象若是再加点葱和蒜或许就是一顿美味的晚餐了。