太阳能的光芒 - 彭博社

去年七月的某一天，洛里·维尔梅伦在普林斯顿大学校园内散步时注意到，她携带的白色粉末在炽热的阳光下变成了蓝色。这位化学研究生知道，这种化合物在分解时会变成棕色、黄色或红色，但蓝色则是另一回事。“我不确定发生了什么，”她回忆道。

当他们发现导致颜色变化的原因时，没有人比维尔梅伦和她的导师、助理化学教授马克·E·汤普森更惊讶：阳光激发电子从一个分子跳到另一个分子，产生负电荷并捕获能量。更令人惊讶的是，这种材料在几天内保持蓝色，意味着能量仍然被储存。研究人员在八月将他们的工作发表在《自然》杂志上。现在，他们已经开始艰巨的任务，试图将这一新奇事物转变为能源。

捕捉阳光。实际上，维尔梅伦的校园散步可能标志着在寻找能够捕捉太阳能并将其转化为清洁电力和热源的材料方面迈出了重要一步，这一过程已经持续了30年。光伏系统吸收阳光并将其转化为电力，但不储存能量且成本高昂。因此，研究人员继续寻找无机材料，以模仿植物中叶绿素在分子层面捕获、储存和释放能量的方式。科学家们有几个前景，但没有一种能像维尔梅伦和汤普森的材料那样长时间储存能量。俄亥俄州立大学的化学教授普拉比尔·达塔表示，他们的粉末“提高了开发廉价替代品以储存和转化太阳能为电能或化学能的前景。”

像许多发现一样，这一发现既是偶然的结果，也是技能的体现。在Vermeulen的帮助下，汤普森正在测试电化学家鲁道夫·A·马库斯的理论，马库斯是今年诺贝尔化学奖的获得者。马库斯的理论有助于预测化学反应的速度，例如光合作用，这些反应涉及分子之间电子的交换，并支撑着电池和燃料电池的工作。汤普森使用一种常见材料的化合物，磷酸锆和紫罗兰盐，来研究这些转移的速率。根据传统化学，这种混合物不应该储存能量。

然而，它确实可以。在溶解和加热后，磷酸锆分子结晶成层，紫罗兰分子夹在它们之间。来自紫罗兰盐的氯离子点缀在磷酸锆的表面。研究人员仍然不知道储存能量的确切反应，但他们有一个想法（图示）。当光照射到该化合物时，它会导致一个围绕分子旋转的电子——他们认为是氯离子——跳出其轨道进入紫罗兰层。然后，磷酸锆层放出一个电子来替代氯离子失去的那个。这个电子转移捕获了太阳的能量，并使材料变成蓝色。

拥有与保持。这个材料有趣之处在于反应不会迅速逆转。在寻找能够储存太阳能的材料时，一个主要困难是防止电子立即返回其原始位置，并像黑色表面在阳光下那样释放储存的能量。去年，阿贡国家实验室的研究人员开发了一种可以储存太阳能0.004秒的材料——大约是早期最佳系统的10倍。1月份，以色列化学家揭示了一种多孔玻璃系统，可以将电子分开数小时。但在Vermeulen和汤普森的化合物中，电子可以分开数月。这给了你“进行后续化学反应”的机会，以释放能量，德克萨斯大学奥斯汀分校的化学教授托马斯·E·马洛克说。

要实现这一目标需要复杂的科学，但汤普森和维尔梅伦正在全力以赴。通过对材料结构进行调整——例如，用不同的金属替代锆——他们试图发现哪些分子在放弃电子，哪些在接受电子。一旦他们识别出这些分子，就更容易改善材料的性质。

提高效率是关键。目前，该材料吸收约10%的阳光——而光伏电池的吸收率可达26%——因为它仅吸收紫外线。通过进行小幅调整并将材料制成薄膜，研究人员认为他们可以促使该化合物吸收可见光，而大多数太阳能量集中在可见光中。这可能有助于提高其将阳光转化为能量的效率——目前仅约为3%。光伏电池的效率为10%到12%，但汤普森表示，这种新材料“远比那些技术便宜”。

重大挑战。最棘手的挑战将是提取储存的能量。材料的致密分子结构不仅捕获能量，还阻止可能引发反应以收集转移电子的化学物质。研究人员希望通过用更小的分子替代部分紫外线分子，使材料更加多孔，从而创造出允许其他化学物质渗透的空腔。

如果这成功了，可能会有多种方法来转换储存的能量。例如，汤普森说，水可能会被泵送通过材料，在那里它会被铂等金属催化成氢气，氢气可以被捕获并作为燃料燃烧。这一方案的成本将低于使用光伏电池分解水的成本，而太阳能爱好者早已倡导这种方法。

至于何时能够实现这一目标，汤普森耸了耸肩：“科学是跳跃式发展的。你不知道何时会期待它们，”他说。与此同时，29岁的维尔梅伦，作为一名三年级博士生，仍在适应她的论文项目所带来的影响。她的同龄人中很少有人能自豪地在如此权威的期刊《自然》上发表作品。“我仍然感到被我不知道的事情所压倒，”她说。

他们可能发现的事情引起了其他人的兴趣。汤普森在十月份的意大利能源会议上描述了他们的工作。即使在资金紧张的日子里，他们的研究仍然可能获得支持。“会有资金追逐他们，”一位能源部官员说。维尔梅伦和汤普森面临着很大的困难。但当目标是实现知识的飞跃时，这就是职业风险。