大多数工程师看到电极上有哪怕一点锈迹都会恐慌，肯尼斯·哈迪（Kenneth Hardee）和艾伦·巴德（Allen Bard）的电极却完全由铁锈组成。为了找到廉价的太阳能发电方案，这两人一直在设法从手头最便宜的材料里弄出电流来。他们成功了，在可见光的照射下，这 种材料里产生了一束微弱但稳定的电流。
这一幕发生在1975年，然而不久后，硅就开始大出风头。硅的转化率更高，因而成了光伏太阳能电池的基础材料，一直居于市场的顶端。在电学性质方 面，铁锈是无法与硅匹敌的。因此，美国得克萨斯大学奥斯丁分校的这项小小突破，转眼就夭折了。在那之后，大家很少想到铁锈；就算想到了，也是想着怎么去除 掉它。
然而最近几年，聚光灯又转回了这种一度被抛弃的物质上。研究者发现，它并非如一般人认为的那样一钱不值，反而有可能成为一种神奇的材料。在将太阳能 转变成电能时，氧化铁不像硅那么高效，但它有一个硅不具备的长处：能将太阳能储存起来。一片片不起眼的锈斑，或许可以解决太阳能发电的一个顽固对手——黑 夜。
以前，太阳能研究几乎全围绕着转化效率做文章。每天，太阳都在地球上洒下大把能量，一天的供给就比我们一年的消耗还多，然而要将这些能量收集起来并 不容易。目前最好的技术是国际空间站使用的太阳能电池板，它由几种昂贵的稀土元素制成，造价高达十亿美元。但就算是这种技术，也只能把46％的太阳能转化 成电能——这还是理想情况下的转化率，平常还要低得多。至于地球上使用的，则是成本较低、以硅为基础的光伏电池，最多能够转化15％到20％的太阳能。
而现在所亟需的，是找到方法来储存过剩的能量，以便在太阳下山后接着利用。由于太阳能通常只能在产生的同时使用，所以它虽然无穷无尽，在所有可再生能源中所占比重却最低，成本也比火力发电高出20倍左右。
要解决这个问题，最显而易见的办法就是用电池储电。但是电池的能量密度太低，用来给整户人家供电成本过高，而且每隔几年就要更换，是只有富人才能考 虑的选择。还有一个方法比电池好得多，那就是利用太阳能来制造氢。氢的化学键中蕴含巨大的能量，每千克储存的能量是标准锂离子电池的170倍。而且氢的用 途十分广泛，一旦掌握，想怎么使用都行。放进燃料电池，它可以和氧结合发电；与一氧化碳结合，它就成了甲醇生物燃料；如果储存恰当，它甚至可以像其他气体 燃料一样直接燃烧。
要将光伏电池中的电能转化为氢，最简单的办法就是用这些电运转一台电解器。这可以将水，也就是H2O，分解成氢气和氧气。这个办法或许方便，但效率也够低：在标准光伏电池所能转化的区区15％的太阳辐射中，又有30％损失在了电解过程之中。等到电解完成，你会发现还不如用充电电池来得划算。
水的力量
更好的办法是另找一种导电材料，它要足够便宜，又要能绕过光伏电池，直接用太阳产生的光子来电解水、产生氢气。
一种材料要能直接电解水，就必须在被光子击中时释放出能量刚好的电子。这些电子被激发到一定程度就会从材料中逃逸，并留下被称为“空穴”（hole）的空隙。为了填补这些空穴，一个水分子会献出自己的一个电子。就这样，电子和空穴合力将水氧化，将它转变成氢和氧。
要完成这项工作，硅不是理想的材料，因为它产生的电子携带的能量并不适合。任何材料都需要特定的能量才能使其中的电子从原子中跳脱。硅原子释放一枚电子只需要1.11电子伏的能量，而分解水分子需要的电子的能量至少要有1.23电子伏。
我们可以用一些少见的化合物做出合适的材料来。比如在美国的俄亥俄州，博林格林州立大学的工程师就将硒化锌和硫化镉晶体混合，再加上一种铂催化剂， 释放出了能量刚好的电子。问题是，这样制造出来的装置流程复杂、原料稀有，虽然在实验室里获得了成功，但是高昂的成本使它无法商业化。
于是，研究者重新想到了铁锈。氧化铁释放电子的能量为2.1电子伏，正好可以电解水分子，不过这并不是他们选用这种材料的最主要原因。氧化铁还有许 多好处。它没有毒性，而且便宜得掉渣。此外，它的储量极其丰富，随处都是。相比之下，那些稀土元素不仅价格昂贵、带有毒性，而且受到国际政局变动的影响， 能否获得还不可预知。中国在不久前中止钕的出口时，从汽车发动机到磁铁在内的许多产业都受到了重创。氧化铁就没有这个问题。“没有人控制铁锈。”克劳斯· 海尔加特（Klaus Hellgardt）一语中的，他供职于英国伦敦的帝国理工学院，专门研究用氧化铁制氢。
国际空间站上的太阳能电池板，转化率高达46%，但是它由昂贵的稀土元素制成，造价高达十亿美元。图片来源：NASA
不会再锈
氧化铁还有一个相当重要的性质，那就是足够稳定。许多材料在水电解的侵蚀作用下都会变形，但是氧化铁可以坚持一年之久，还有人认为可以更久。原因在于，用海尔加特的话来说，“它已经锈得不能再锈了。”
尽管用铁锈将太阳能转变成氢并不是最高效的（最近的研究显示，转化极限理论上是16.8％），然而凭它的储量，完全可以用数量的丰富来弥补效率的不足。
不过，这种灰姑娘似的材料还差一只水晶鞋。“目前它的表现还不怎么样，”美国加州理工学院的内特·路易斯（Nate Lewis）说，“这并不代表我们没办法让它表现良好。”
铁锈的物理性质虽然刚好合适，但它并不能单枪匹马就将水电解。因此，过去10年的铁锈研究大多数都在解决一个问题：怎样将它内部的电子拉进水里。
首先要解决的，就是哈迪和巴德在1975年面临的问题。氧化铁的导电性不是很好，因此不能凭借自身的力量将足够多的电子输送到表面，使它们发挥最大 用处。它需要有人推上一把。有一个办法，是从一种被称为“串叠型电池”（tandem cell）的装置中获得额外的太阳能。1991年，瑞士联邦理工学院的工程师迈克尔·格莱策（Michael Grätzel）在铁锈上涂了薄薄的一层二氧化钛。他先在这层涂料上染了色，使它能够吸收更多光子，从而创造出一款染料敏化的太阳能电池。这样就能在不动 用硅的情况之下，简单而廉价地产生出电流。接着，他将这股电流导入下方的铁锈层，就“踢”出了刚好可以电解水的电子（参见《自然》第353卷737页）。
格莱策这台装置达到了4％的转化率，可谓前所未有。不过，这需要再加上两层串叠型电池才能实现。要将电子“踢”上更高能级，就需要输入额外的能量。要不然，铁锈就会将电子吸回自己的结晶基体，在它们逃逸之前将它们重新吸收。
对付这个问题只有一个办法，那就是把铁锈层弄得足够薄，薄到电子能够逃逸，薄到只有几十个纳米的地步。这一点在1975年，甚至上世纪90年代初， 都是不可能做到的。但到了21世纪初，纳米技术取得了长足进步，人类终于有能力操纵材料的物理结构了。于是，一些减少铁锈厚度的巧妙方法被提了出来。
在美国俄亥俄州的丹尼森大学，乔丹·卡兹（Jordan Katz）已经制成了一种薄薄的涂层，由几纳米细的铁锈杆构成。如此纤细的铁锈杆为这种涂层带来了极大的表面积，还能让水渗进铁锈杆之间的纳米裂缝之中。 这使得电子和空穴得以从材料中逃脱，与材料周围的水相遇。不过卡兹表示，这种材料的效率还远远没有达到能够市场化的水平。
瑞士联邦理工学院的科学家找到了一种能够市场化的方法。为了协助电子逃逸，凯文·斯弗拉（Kevin Sivula）利用“云沉积”的方法创造出了纳米铁锈，具体做法是将雾状的铁溶液喷洒到材料表面。这种沉积法使氧化铁长成了一棵棵小小的“花椰菜”，在材 料表面形成一片“树林”，创造出了某种分形结构，让电子得以从中逃逸。这种方法是可以大规模生产的。
2012年，斯弗拉的团队造出了一台可以工作的装置，成本还没有玻璃贵，转化率却达到3.6％，与格莱策的装置效率相当，但它不用像后者那样依靠额外的串叠型电池帮忙（参见《自然·光子学》第6卷824页）。斯弗拉表示，他可以在未来几年内把转化率提高到10％。
斯弗拉利用铁锈制成的太阳能装置，成本还没有玻璃贵，转化率却达到了3.6％。图片来源：gizmag.com
不过，他的目标可能面临着一重阻碍，而且吊诡的是，这个阻碍恰恰是由于铁锈层太薄了。任何电解材料都要解决一个基本的矛盾：一方面它要尽可能厚，另 一方面却要尽可能薄。要薄，电子才有逃逸的机会；要厚，材料才可以多吸收光子。一层20纳米厚的材料只能吸收所有可吸收光子的18％；将厚度增加到1微 米，它就能吸收差不多所有的光子——但这时，它们又会深陷在其中。
为了解决这个矛盾，以色列理工大学的阿夫纳·罗斯柴德（Avner Rothchild）及其同事借用了量子力学。他们的装置用一层30纳米的铁锈膜捕获入射光线。光子一进入装置就被导入一个镜腔，腔内有两面相对成V形的 镜子，将光子反复弹射，直到完全吸收。此外，向前和向后扩散的光波还会发生干涉，进一步促进光子的吸收，这个效果在薄膜表面尤为明显。这样，光子和空穴就 能在被拉回之前轻易到达铁锈膜表面了。亏得这个设计，这台装置能够吸收71%的入射光子，但它又足够薄，电子能够从中逃脱。两个因素相加，使它的理论转化 率达到了4.9％（参见《自然·材料学》，即将出版）。
以氧化铁低下的标准来看，这个数字已经十分不错了，但还比不上那些商用的太阳能产品——问题是，真的就比不上吗？
这就要说到铁锈真正的天才之处了，这也是它最终或许能以微弱的转化率击败硅的关键。斯弗拉指出，就算铁锈永远无法达到16％的最高转化率，但它实在 便宜，可以大量生产——这正是他和其他铁锈研究者计划要做的事。卡兹也指出：“最关键的其实不是转化率，而是每瓦特的成本。”他还表示，就算转化率只有 10％，“只要价格够低”，也能击败转化率高达50％的光伏电池，因为铁锈便宜到你可以喷洒在所有东西的表面上。
这正是研究者的目标。按照斯弗拉的设想，他的铁锈“花椰菜”可以涂在类似墙纸的材料上，制成薄片状的太阳能电池，在任何地方都能生产出氢。偏远的沙漠城镇就是一个理想的场所，过滤后的污水可以用作电解的原料。
氢的问题
当然了，在这个梦想能够实现之前，还有几个问题必须要解决。比如海尔加特指出，水一旦分解，“就等于造出了一枚炸弹”，因为氢和氧会剧烈反应，发生爆炸。还有一种比较温和但同样糟糕的结果，那就是分开的氢和氧又重新结合成水，只是温度比原来略高。
将氢气和氧气分开还算简单。在斯弗拉设计的电池里，就有一层薄膜把氢和氧吸到不同的地方，让它们分别形成气体。海尔加特的想法则有所不同：在他看 来，如果根本用不着氧，又何必把它制造出来？因此，他设计用低档废水来“吃掉”氧。氧不会变成气体，而是和水中的有机化合物反应结合，只让氢气安全地析出 到储存罐中。
太阳能或许将步入铁锈时代，但在这个梦想能够实现之前，还有几个问题必须要解决。图片来源：wordpress.com
最后还有一道难题：铁锈电池虽然可以用制造氢气的方式储存太阳能，储存环节却会遇到特有的困难。氢气是出了名的难以保存，一定要用昂贵、坚固、不会腐蚀、也不会爆炸的容器盛放。也正是这个困难，使得人人叫好的氢经济前途渺茫。
对此，科学家仍在研究种种方案。除了燃料电池的持续进步，好几种新的方法也在尝试之中。比如不久前，在澳大利亚的新南威尔士大学，研究者就用纳米级 的硼氢化钠来储氢。硼氢化钠是一种盐，一般来说要加热到550℃，储存在其化学键内的氢才会释放出来；但是在纳米尺度下，它在50℃就开始放手了（大量析 出仍需加热到350℃）。对于多种尺寸的便携储氢技术而言，这是一个前途光明的进展。
前途虽然光明，但这个进展或许并不是必须的。简单的罐装氢气，像露营燃料那样就地储存和燃烧，也能达到同样的目的。这正是“储存阳光”公司的负责人 布莱恩·霍克罗夫（Brian Holcroft）所持的观点。在他看来，这样的简易装置在那些日光充裕但能源设施短缺的地方，比如肯尼亚，刚好可以有所作为。他已经同瑞士联邦理工大学 合作，允许他的公司用“串叠型电池+氧化铁”的装置，在电网之外解决供电问题。他还迫不及待地想把这些装置弄上发达国家的屋顶，让屋主不接入电网就能获得 氢燃料和电力。
或许，连串叠型电池都不是必要的。用铁锈中的电子分解水的实验已经进行了几十年，其中产生的灵感或许能将哈迪和巴德最初的梦想从过去推向未来：那将是一台由铁锈制成的光伏装置，尽管转化率不高，却可以储存太阳能。
“撇开转化率的问题，一块铁锈电池既可以生产燃料，又能发电，还可以两者同时进行，” 卡兹说，“它可以在白天用电高峰时段发电，并在用电量下降时生产燃料。”考虑到太阳能发电的经济现状，哈迪和巴德在1975年产生的那道微弱电流，或许终 将发展成惠及全球的可再生能源。或许，未来会是铁锈的时代。
