摘要：本文不仅通过对新能源的开发情况，尤其对氢能的详细阐述，说明作为最具开发价值的新能源之一的氢能，对未来发展的重要性；还通过详细论述具有巨大潜在开发意义的光合细菌产氢，让更多人了解其在解决目前人来面临的能源枯竭和生态失衡中发挥的特殊作用。

关键词：新能源；氢能；光合细菌

前言

社会生产的发展对能源的需求逐年增加，化石能源的过度利用，不仅造成了社会发展的能源储备不足，还由此引发了一系列环境和生态问题。展望未来发展，人们对新能源的关注日益升温，目前一些新能源利用技术上的突破性研究，为氢能源实际规模化应用点亮了希望之灯。氢能作为一种新能源以其独特优点吸引着很多研究者及能源开发商的目光，光合细菌（Photosynthetic Bacteria,简称PSB）产氢自发现到现在取得了一系列成果，尽管在规模化生产上还需要一段时间，但是其流露出的诱人前景值得我们继续深入研究。

1新能源

1.1新能源开发的意义

新能源是相对于常规能源—技术上比较成熟且已被大规模利用，如煤、石油、天然气、大中型水电等—而言，指尚未规模化利用正在积极研究开发的能源，如太阳能、风能、现代生物质能、地热能、潮汐能以及核能、氢能 ^[1,2]。

自1993年我国成为石油净进口国，且进口量逐年增加，国际能源价格的多变，势必对我国经济社会发展造成相当大的影响^[3]。日趋恶化的环境形势也迫使我们不断寻求新能源，实现经济、环境和社会的科学发展。

 “2009中国（广州）国际新能源融资论坛暨新能源博览会”提出各国通过发展新能源来抵制今年的金融风暴的新思路^[4]。中国政府非常重视并积极发展新能源，近年来陆续颁布《可再生能源中长期发展计划》和《核电中长期发展规划》等。

1.2新能源的利用

目前得到利用的新能源有：太阳能、核能、化学电源、生物质能、风能、潮汐能、地热能、可燃冰，我国目前利用新能源是燃烧型生物质能，小部分是水电，而太阳能、地热能、风能等利用率都不是很高，且没有形成规模化。

2氢能

2.1氢能利用特点

目前氢能主要用于石化、冶金等工业中作为重要原料、物料；固体氢可用于飞船结构材料；氢也可用于燃料电池，如Ni-MH电池用于手机、笔记本电脑等；其在电动力方面也有广泛的应用，如汽车厂商通用、福特、丰田、奔驰、宝马、克莱斯勒等国际大公司，已经开发研制成功氢燃料电池汽车^[5]。

氢能利用特点：①燃烧性能好，燃点高，燃烧速度快，即使在严寒环境，也能点火且与空气混合可燃范围宽（4％-75％）；②燃烧形式多样，燃料可直接提供机械动力；③燃烧清洁，不产生任何污染，生成水可循环利用；④燃烧热值大，每千克氢可产生热能120.4MJ，是汽油的3倍，酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍;除核燃料外，所有矿物燃料望尘莫及；⑤热导率和热容高，是极佳冷却工质和热载体；⑥热转化效率高，能量密度高，可以多种形态储存，运送成本低等^[3-13]。

 2.2氢能生产途径

2.2.1非可再生资源制氢

煤气化制氢：煤作为燃料历时已久，它也是一种重要的化工原料。我国煤炭资源丰富，因此曾经是制氢的主要原料之一，但此法因产生CO₂明显高于其他制氢工艺，从温室效应对全球气候变暖的影响和化石能源可使用量逐渐减少的角度考虑，此法会逐渐会被其他方法所代替。

天然气制氢：天然气被广泛认为是继木柴、煤炭、石油之后第四代主体能源，也是氢能开发早期主要原料之一，目前最常用、最经济制氢技术是天然气重整技术^[6]。

2.2.2可再生资源制氢

电解水制氢：电解水制氢反应式：2H₂O^电解→2H₂↑+O₂↑，电解水制氢的优点---产品纯度高、操作简便、无污染、可循环利用等^[6]。为了提高制氢效率,电解通常在高压下进行,采用的压力多为3.0～5.0Mpa且目前电解效率只达到50%～70%^[5]。

光解水制氢：1972年日本学者Fujishima和Honda对光照TiO₂电极导致水分解而产生氢气这一现象的发现，开启了光解水制氢技术的研究，但大多数用于光解水的催化剂仅能吸收紫外光（而其在太阳光中所占比例只有3％左右）。研究开发高效率光解水催化剂是实现此法应用的关键技术^[6]。

生物质气化制氢：生物质气化制氢是将薪柴、稻草、麦秸等在气化炉（或裂解炉）中进行气化，裂解生成含氢燃料的技术。地球上每年生长的生物质总量为1400亿～1800亿吨干物质，相当于目前总能耗的10倍，其具有分布广，不受地域限制的特点，尤其对能源不足的偏远地区，有很大实用价值^[7]。然而气化裂解需要很高的温度，对设备要求也高，如若用清洁能源（如太阳能、电能等）来代替化石能源提供动力，是未来发展的一个方向^[7,17]。

2.2.3生物产氢

绿藻产氢：绿藻属于真核生物，含光和系统I(PSI)和含光和系统Ⅱ(PSⅡ),不含固氮酶，氢气代谢全由氢酶调节，产氢酶对O₂很敏感，气相1.5％O₂浓度，就会使其失活^[2]。因此此法产氢技术关键需要将产生的O₂很好分离开，不影响产氢酶活性。

蓝藻（又称蓝细菌）产氢：蓝藻是一类能够进行放氧光合作用的原核生物, 其固氮酶在催化固氮的同时催化氢的产生：N₂ + 8H ⁺ + 8e^- +16ATP→2NH₃ +H₂ + 16ADP + 16Pi，吸氢酶（提供电子、ATP,去除氧气）可氧化固氮酶放出的氢：2H⁺+e- ←→H₂,可逆氢酶既可以吸收也可以释放氢气。蓝细菌靠这三种酶共同作用来产生氢气^[8]。

厌氧发酵细菌产氢：厌氧发酵细菌能在氮化酶或氢化酶作用下能将甲酸、丙酮酸、CO及各种短链脂肪酸等有机物、硫化物、淀粉、纤维等糖类分解产氢气。此法产氢气率低、能量转化率只有33％左右^[7]。有人研究用巴氏梭菌(C.pasteurianum)和丁酸梭状芽孢杆菌(C.buytricum)进行过产氢研究，也有人用非硫紫色细菌Rh.gelatinosa和Rh.rubrum(需少量光能)进行热化学—微生物联合产氢：CO+H₂O→H₂+CO₂ 。此法允许O₂ 、硫化物等存在，该菌对生长条件要求不严格。

光合细菌产氢：1937年Nakamura首先发现光合细菌在黑暗条件下的产氢现象。到1949年，Gestmen报道深红螺菌（Rhodospirilum rubrum）在光照条件下产氢，人们对PSB光合产氢的机制进行了不断探索，PSB光合产氢的能量转化率理论上高于厌氧菌的厌氧黑暗产氢过程（2.845×10⁶﹥0.950×10⁶），Hillmer和Gest测得PSB从乳酸和葡萄糖中产氢的实际能量转换效率达到72％和32％^[5]。

在光照条件下，PSB的固氮酶在缺少其生理性基质N₂或产物NH₄⁺时能还原质子放出H₂；由于其只含PSI，且电子供体不是水而是有机物或还原态硫化物,所以光合磷酸化过程不放氧，这种产氢不放氧的特性（与蓝细菌和绿藻相比）,可大大简化生产工艺，省去产物O₂和H₂的分离，也不会造成固氮酶活性的丧失^[10]。

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