吃完香蕉后，我们总是想当然地把香蕉皮扔进垃圾桶。但总有些科学家要做不同寻常的事，再加上他们有“高大上”的装置，所以他们决定看一看，只用氙灯照一下会发生什么。不过，在讲这些科学家做的事情之前，得先知道他们究竟为了什么，非要把香蕉皮放进烘箱里烘一烘？
撰文 | 王怡博
审校 | 二七
看到街上行驶的电动汽车，一些人可能会想：它用的应该是锂电池。毕竟，我们每个人最熟悉不过的就是手上拿着或兜里揣着的“锂电池”（智能手机）。而且，即使是在电动汽车产业，锂电池也占据着领先地位，例如特斯拉采用的动力锂电池。但事实上，锂电池还有一个强劲的对手——氢燃料电池。
尽管氢燃料电池和锂电池还在争夺未来电动汽车产业的首要地位，但它们倒是有一个共同点：“氢”和“锂”都位于元素周期表的“前排”，分别是第一和第三位。有趣的是，这2种最简单的元素（除去氦）在未来的电动汽车或新能源行业扮演着重要的角色。不过，与锂电池相比，氢燃料电池利用的反应，我们要更熟悉一些。
氢气是“动力”
如果你还没有忘记中学化学课本里的“电解水”反应，那么你很容易就能理解氢燃料电池的工作原理——电解水的逆向过程。总的来看，氢气和氧气发生化学反应生成水，同时这部分化学能被转化为了电能。
此外，相比于锂，氢在动力应用方面的历史更久远。1766年，亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）第一次在实验室发现“氢气”这种物质。当时，卡文迪许把稀盐酸滴在锌片上，产生了气泡。他不仅分析了“气泡”，还发现这种气泡可以在燃烧后生成水。
随后，这种气体便在人类的飞行梦想中，并作为一种升力来源留下了浓墨重彩的一笔。1783年，雅克·查尔斯（Jacques Charles）第一次发明出了氢气球。氢气的质量非常轻，密度也小于空气，因此充满氢气的气球就可以漂浮在空中。在此基础上，亨利·吉法德（Henri Giffard）于1852年制造出了第一架由氢气提供升力的飞艇。这样的飞艇曾在第一次世界大战时，安全转移了3.5万人，没有发生任何事故。但不幸的是，1937年，德国“兴登堡”号飞艇因氢气爆炸而在空中烧毁。自此，以氢气为升力的飞艇时代也画上了句号。
但近些年，“氢气能发生燃烧，且燃烧产物只有水”，再次吸引了科学家的注意，尤其是因为水对环境没有危害。这一次，当科学家想把氢气作为动力时，反而要依靠它能燃烧的性质。
然而，自然界基本不存在氢气。地球上的氢元素多以化合物的形式存在，例如水和有机物。但好消息是，理论上生产氢气并不难，例如第一次发现氢气时，酸和金属铁或锌的反应就产生了氢气。不过，要使用氢气作为能源，还需要找到规模生产的方法。
制氢面临挑战
对于氢燃料电池而言，氢气的生产是其中最具挑战性的一环。考虑到化石燃料对环境的影响，科学家一直在寻找替代化石燃料的清洁能源。但他们心目中的清洁能源——氢气，并没有真正摆脱化石燃料的限制：目前工业制氢，主要还是通过甲烷水蒸气重整、石油的催化重整或煤炭气化，但它们的原料仍然是化石燃料。在思考如何制备真正清洁的氢气时，科学家第一个想到的就是课本上的“电解水”实验。
但工业生产中的电解水制氢并不像在书上画一张示意图，或写一个方程式那么简单。从电极、电解液和催化剂的选择，再到质子交换膜，每一步都还需要优化，因为目前电解水制氢的效率还很低。
除了电解水外，还有一种方法也越来越受到科学家的青睐：生物质热裂解。生物质是指通过光合作用形成的各种有机体，例如玉米、落叶、果壳等有机废物。在变成“废物”之前，这些有机体一直在吸收二氧化碳，是天然储存二氧化碳的“容器”。因此，如果直接将有机废物丢弃在环境中，就可能导致大量二氧化碳的释放。碳、氢、氧是构成有机体的主要成分，因此科学家就在想，如果将有机废物收集起来，或许能转变成有用的物质。从中获得氢气也在科学家的计划之中。
近日，由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）基础科学系的休伯特·吉罗（Hubert Girault）带领的团队开发了一种新的分解生物质的方法。他们利用被视为垃圾的香蕉皮，得到了氢气和一种叫做生物炭的物质。相关研究结果发表于《化学科学》（Chemical Science）杂志。
用香蕉皮会发生什么？
在这项研究中，将香蕉皮变成氢气的关键就在于氙灯。氙灯是利用氙气放电而发光的电光源。对于这支研究团队来说，氙灯并不陌生，他们曾经用氙灯制备过纳米颗粒。但在这项研究中，他们决定用大功率氙气闪光灯作为光源，让往往会被扔掉的香蕉皮发生光热解反应，然后看看究竟会产生什么。
大功率氙气闪光灯不仅能提供功率更高的能量，还能提供短脉冲。换句话说，就是要产生强有力的闪光，以便快速触发香蕉皮的光化学反应。
在用光照射之前，他们还需要将湿湿的香蕉皮在105摄氏度下烘干，然后把烘干的香蕉皮研磨成粉末。随后，这些粉末被转移至充满惰性气体的不锈钢反应釜中。值得注意的是，这种反应釜能承受一定的压力，且有一个玻璃窗，这让研究人员能实时看到里面发生的变化。然而，普通的反应釜是没有玻璃窗的，因为几个大气压和玻璃的结合还是让许多科学家望而却步。
在这种氙气闪光灯下，香蕉皮的转变在14.5毫秒内就结束了。结果是，每千克香蕉皮（干重）产生了约100升氢气和330克生物炭。此外，研究人员认为这些生物炭也是有价值的，例如可以用于改良土壤，也可以用于生产电极，因为许多电池的阴极是碳基材料。
巴瓦纳·纳加尔（Bhawna Nagar，这项研究的共同作者）认为这项研究最重要的地方是，他们把香蕉皮“储存”的二氧化碳间接转变成了有价值的物质。这也是生物质研究的意义所在。
这项研究没有采用任何催化剂，只用到了氙灯。但很显然，要想提高氢气的产量，研究人员还需要做更多的工作。“生物质”与“电解水”相似的地方在于，任何一个方面的进步都有可能推动产生新的想法。
或许哪一天，香蕉皮制氢不再是实验室里的一次小发现，而真的被用于规模产氢了呢？
封面图片来源：Ton Gregorio/flickr
参考链接：
https：//doi.org/10.1039/D1SC06322G
https：//techxplore.com/news/2022-01-hydrogen-banana.html
https：//periodic-table.com/hydrogen/#：~：text=Hydrogen%201%20Discovery%20and%20History%20The%20informal%20discovery，Hydrogen%20Gas%20。。。%208%20Isotopes%20of%20Hydrogen%20
https：//en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen
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