电动车还没火就要凉了？日本科学家发现一种神奇的催化剂！

近日，《自然》杂志发表发表了一项可能改变燃油车命运的新发现，来自东京大学的科研人员发现了一种神奇的催化剂，在该催化剂的作用下，用光来分解水产生氢气的效率可以达到96%。

要知道，过去光分解水产生氢气的效率基本在10%以下，而这一次的研究成果却达到了96%，估计连东京大学的研究人员都感到惊讶。

那说到这里，估计很多人会对氢能源产生兴趣，氢为什么是石油的潜在替代者？氢能源在汽车领域的运用如何？相比锂电池，氢燃料电池又有什么好处？

1、能量密度更高
判断一种燃料好坏的最直接的方法就是看其能量密度，“能量密度”一般指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小，能量密度越高的燃料，在工业上运用上往往更划算。
千万不要小看这“能量密度”，人类社会的每一次飞跃都基本都与它有关。

自人类诞生以来，主要通过木材作为燃料，但木材能量密度小，人类社会在很长一段时间内都发展缓慢。直到十九世纪，随着工业革命的到来，煤炭成为主要燃料，人来社会发展就像坐上了快速列车。而到了20世纪初期，石油逐渐取代煤炭的地位，成为主要的燃料，人类社会的发展速度就像坐上了高速列车。
从能源的密度来看，煤炭比木材大数倍，石油又比煤炭高出约1.5倍，所以人类几乎是每使用一次能量密度更高的燃料时，社会就会进入一个飞跃式的发展。
要知道氢的能量密度是石油的3倍左右，也就是同等重量下，其燃烧产生的能量是石油的3倍左右，试想一下，如果氢将来取代了石油，成为人类主要燃料，那么人类社会或将迎来又一次飞跃式发展。
2、更清洁环保，并且可再生
H2(氢气)和氧气（O2）燃烧的化学方程式
就目前来看，氢能源无疑是目前最环保的能源之一，它燃烧后的产物只有水，可以实现真正意义上的零碳排放、零污染气体排放，对于遏制全球变暖、雾霾、空气污染等问题，都是非常好的解决方案。
相比石油，除了更环保之外，它还是可再生能源，可谓取之不尽用之不竭，不用担心能源危机问题。

氢气是一种能量巨大，不易存储且易燃易爆的气体，一旦混入一定比例的空气，一遇到明火或高温就会爆炸，所以氢气不能像石油那样，直接作为内燃机的燃料，因为发动机工作时，气缸内瞬间的温度可达1500-1800℃。

在这样的背景之下，氢燃料电池汽车诞生。氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。
没有化学基础的估计难以理解其原理，简单来氢燃料电池就是一种能量转化装置，只需向装置内加入氢气，就可以产生电。另外，燃料电池的做工比氢气单纯燃烧的效率高2-3倍，且安静无污染。

也正是因为看到了燃料电池的前景，所以多年来，丰田一直将零排放的战略押在了氢燃料电池上。并且在2014年推出了家族首款量产的氢燃料电池车Mirai。

搭载在Mirai上的这套氢燃料电池，就像一个小型发电站，通过氢气和氧气的化学反应便能产生电，不像其他纯电动汽车那样需要充电，没电了只需添加氢气即可。

Mirai的动力系统由氢燃料电池、电动机、蓄电池和高压储氢罐组成，结构相对比较简单，其中氢燃料电池就像一个小型发电站，通过氢气和氧气的化学反应便能产生电，不像其他纯电动汽车那样需要充电，没电了只需添加氢气即可。
除了结构简单外，整套动力系统的工作原理也比较简单，气罐内的氢气和空气中的氧气在燃料电池内发生化学反应，产生的电能传输给电动机，然后用于驱动车辆，多余的电量则保持在蓄电池中。整个过程有点类似理想ONE的增程式系统。

Mirai搭载了两个储氢罐，总容量为122.4L，最多可加载5kg氢燃料，加满大概3-5分钟，官方表示满气状态下可行驶550km左右。

1、加氢速度快，一般3-5分钟就能搞定，和加汽油一样快捷，而纯电动车的充电则是一个缓慢的过程，即便特斯拉推出了超级充电桩，但从低电状态到充满状态，也要80分钟左右。
2、氢燃料电池的成分主要是氢气和氧气，发生化学反应后的产物也是无毒无害的水，而且氢燃料电池寿命到期后，也不会像锂电池那样因为含有多种重金属，如果处理不当，极可能对环境造成重大污染。
3、氢燃料能量密度大，以Mirai为例，5kg的氢气就能行驶550km左右，以综合续航里程相近的Model3 长续航版为例，其电池包的重量接近500kg，比前者重了约100倍，虽然Mirai的燃料电池、储气罐、蓄电池还有一定的重量，但总的来说，在电池这一块，燃料电池会比锂电池更轻。

虽然氢燃料车相比传统燃油车和纯电动车存在诸多优点，但为什么不能普及开来呢？这还得从氢能产业链说起。
就目前来看，氢能产业链包括氢气制造、氢气储运和氢气应用三大部分，目前最大的困难应该是卡在了制氢和存储这两个环节。

我们知道，发展燃油车，前提要有充足的汽油、柴油；发展天然气车，前提要有充足的天然气资源；发展电动车，前提是有丰富的电力资源。同理，发展氢燃料电池车，前提必须是拥有足够的“氢气”。

目前工业制氢气法主要包括焦炉气中取纯氢法、天然气制氢法、甲醇裂解制氢法和电解制氢法四种。但它们各自都存在缺点，要么成本高，要么污染环境，要么效率低，要么制造出来后，存储和运输是个问题。
正是因为主流的制氢方法存在诸多问题，所以科学家通过各种努力，尝试其他方法制氢，其中被给予厚望的就是前文提到的光电解水。当光照射到水面后，利用催化剂的中间作用，把水分解成氢气和氧气。
因为阳光和水在地球上基本随处可见，而且整个过程非常清洁，对环境影响很小，如果方案可行，不仅解决了制氢问题，还可以解决运输问题，可谓一举两得。但该方案有个致命缺点，就是效率低，通常在10%以下。

光解水是一个比较复杂的化学过程，当阳光照射到水中的催化剂时，其内部就会产生大量的正负电荷，而当这些电荷冲出催化剂与水接触时，就会把水分解为氧气和氢气。
但通常来讲，在催化剂内部生成的正负电荷并不会乖乖跑出来，大部分的正负电荷都会碰到一起，相互结合，并发出热量，这个过程叫做电荷重组，这样一来，能够参与分解水的电荷就少了，所以效率自然低了。
而上文中提到的东京大学研究人员，就是要解决这一难题。他们发现一种叫做钛酸锶的晶体材料，在光的照射下，正负电荷会规规矩矩的朝着晶体面板的不同方向聚集，就像课间上厕所一样，男生都往男厕所跑，女生都往女厕所跑。这样一来，大大减小了电荷重组的现象，与水接触的电荷自然就增加了，所以电解水的效率也提高了。
研究人员进一步发现，在波长350nm和360nm的两种紫外线波段照射下，催化剂能够把接近96%的光能用来分解水，距离100%的转化率已经非常接近，相比以前提升了近10倍。

当然，这一实验距离真正的落地还有一段距离，因为该转化率只是在特殊波长的紫外线（紫外线波长400-10nm）照射下才实现的，而在波长400nm以上的可见光照射下，转化效率又迅速下降到了10%左右。要知道，地球表面因为有臭氧层的保护，紫外线基本都被挡在了外太空，所以这个运用距离真正的投产还有一些问题需要解决。

东京大学的这一次重大发现，虽然还只是实验数据，并且因为紫外线等外部因素的影响，距离真正的投产还有一定距离。但如果科学家沿着类似的思路，继续不断探索，或许高效率的光解水方案真的能落到实处。那到时候，或许就又是人类历史上一次能源变革，而那时候燃油车或者纯电动车，就会受到前所未有的挑战。