能源危机让铁锈变宝

1975年，正当硅即将成为现代电子工业主角的前夕，美国两位年轻的工程师在得克萨斯大学鼓捣出一项小发明：他们以铁锈为材料制成电极，置于阳光下，产生出微弱的电流。这说明，铁锈能直接把太阳能转化为电能。

但这项发明很快被汹涌而至的硅工业革命淹没了。虽然铁锈的成分――氧化铁也是一种半导体材料，但在把太阳能转化为电能的效率方面，氧化铁远不是半导体硅的对手。如今的太阳能光伏电板都是用硅做的。今天倘若有人想起铁锈，多半也只是为了将它除去。

但在最近几年，情况正在悄悄发生变化。虽然在效率方面，铁锈远不是硅的对手，但它可以做到硅不能做的一件事情：解决太阳能的储存问题。

亟待解决的太阳能存储

过去，太阳能研究几乎都集中在提高效率上。一天中太阳向地球倾泻的能量，足够我们一年之用，但收集起来并不容易。即使今天最先进的技术，如国际空间站用昂贵的稀土金属制造的太阳能板，也仅能把46%的太阳能转化为电能。在地球上，一般以硅为材料的光伏太阳能板，效率仅有15%～20%。

此外，太阳能发电有一个迫切的问题需要解决，即电力的储存。因为电是及时消费的商品，今天发的电不能留到明天使用，而太阳能一年四季不稳定，其实在一天中都不稳定，比如白天能发，夜里就不能发。这极大地限制了太阳能的发展。在今天，太阳能所发电的成本几乎是化石燃料的20多倍。

电池当然是一个选择，但要大量储存电力，成本太高。一个更好的办法是用太阳能发电，然后通过电解水得到氢气，而氢气是可以储存的。这样就可把太阳能储存在氢气分子的化学键里。当氢气燃烧，又可以转化为电能。一千克氢气燃烧所能产生的电能，是同质量锂离子电池所存电能的170多倍。氢的用途很广，一旦得到它，你想怎么用就可怎么用。你可以直接用来驱动氢燃料汽车，你也可以用它来制造甲醇、乙醇等生物质燃料。

制造氢最简易的办法是用太阳能光伏电池来电解水。但此办法虽简单，效率并不高，大约只有70%。你想，太阳能转化为光伏电板里的电能，效率只有15%，而电能转化成氢能的效率只有70%，所以通过这种办法把太阳能转化成氢能的总效率只有10.5%。

变铁锈为宝

如果能找到一种便宜的材料，直接用太阳能来电解水制造氢，就最好不过了。

对于一种材料，要想在阳光照射下直接电解水，那么它被光子轰击时，必须能释放出合适能量的电子。这些电子逃离材料之后，在原来的地方就留下一个个空穴。为了填充这些空穴，水分子就会把自己的电子捐献出来。这样，在电子和空穴的共同作用之下，水就分解成了氢气和氧气。

硅不适合做此项工作，它被轰击出的电子能量不够高。要分解水分子，电子的能量至少需要1.23电子伏特，而硅原子提供的电子能量只有1.11电子伏特。

当然，也有很多材料能胜任此项工作，但工艺复杂，成本昂贵。所以，一些研究者开始把目光重新转向铁锈。铁锈的成分是氧化铁。氧化铁是一种半导体，它释放的电子能量是2.1电子伏特，满足电解水的要求。

当然，让铁锈备受青睐的最重要的原因是，它无毒，而且太便宜了，任何地方都应有尽有。此外，铁锈还有一个很重要的特点，即它很稳定。别的材料在水中浸泡久了，都可能被腐蚀生锈，但铁锈――你想想，它本身就已经是锈了，还能再锈到哪里去？

所以，尽管铁锈把太阳能转化为氢能的效率并不很高――理论估计，最高只有16.8%――但它的无限丰富意味着，可以用数量之多来补效率之不足。

点点滴滴不断在改进

的工艺

不过要想用铁锈来电解水，并非不需要别的帮助。在过去的十年里，研究人员一直在解决如何让它把更多的电子释放到水中。

首先需要解决的问题是，氧化铁的导电性能并不很好，这意味着靠它自身不能把足够多的电子运送到表面，因为电子只有在与水接触的表面才能起作用。

一个解决办法是，往铁锈里层通少量的电流，把更多的铁锈电子推到表面，以便电解水之用。当然，提供电流的设施依然是太阳能电池，这样所有的能量最终都来自太阳能。1991年，一位瑞士工程师以一薄层氧化钛为材料，经过染色以增进其对光子的吸收，制造出了一款太阳能电池，用于对铁锈通电。这项措施把铁锈制造氢的效率提高到了前所未有的4%。

假如不往铁锈里通电，那么唯一的办法就是把铁锈层做得足够薄，以便于电子的逃逸。为达到这个要求，需要把铁锈层厚度降到数十个纳米的量级。这项工艺要求甚至在1990年代还是不能企及的，但在21世纪初，随着纳米技术的飞速发展，已经可以轻而易举地实现了。

2012年，一位美国工程师把一系列直径只有几个纳米的铁锈棒并列，串起来，制造出一个极薄的涂层。涂层具有极大的接触面积，允许水渗进纳米铁锈棒之间。这让电子和空穴能够有更多的机会与周围的水分子接触。这个装置的效率达到了3.6%，据研究人员声称，未来几年能把效率提高到10%。

便宜是最大的优势

所以你也看到了，就效率而言，铁锈是没法跟硅相比的。但在市场上，效率并非最要紧的，最要紧的是生产每度电的成本。即使铁锈发电的效率只有10%，但只要价格合适，就一样可以打败市场上效率达50%的硅光伏电路板。

“铁锈电池”的优势就在于其生产成本便宜。它是如此便宜，你可以大规模生产；因为便宜，你可以把铁锈涂在几乎任何表面上。科学家设想，未来可以把“铁锈电池”一整张一整张地打印出来，像墙纸一样覆盖到任何阳光能够照射到的地方。只要有水、有阳光，在任何地方都可以用这种电池来生产氢气，甚至水都可以不必用干净水，而用处理过的污水，以免消耗饮用水资源。在电力紧张时，直接用铁锈把太阳能转化为电能，输入电网，在电力供过于求时，则用来电解水，然后把氢气储存起来，以供急需之用。

世界能源史或许将会进入一个铁锈时代，让我们拭目以待。