金属燃料取代石油

并不陌生的燃料

燃烧金属来驱动发动机?这听起来有些荒唐。金属燃料对我们来说并不陌生，节日里灿烂的烟花是由于火药里掺入了铝粉、铝镁合金粉、铁粉以及铜、锶、钡等的金属盐。金属可不可以作为燃料呢?从热力学角度看，在元素周期表中，原子序数较小的金属氧化时，都能产生很高的燃烧热。如果从单位体积相比较，铝、硼等的燃烧热远远高于普通燃料。除了上述元素，常见金属元素，比如钒、铁、锌的单位体积燃烧热也是普通燃料的2～4倍。因此，理论上金属可作为燃料使用。

既清洁小巧、又取之不竭的神奇燃料，很可能就是我们早就熟悉的金属。就像铁会生锈一样，大部分金属都会发生氧化，而燃烧无非就是一种快速的氧化反应。这种反应可以由外界的能量(例如火焰、闪电)触发。因此，金属完全能够燃烧，同时释放出巨大的能量。

低温下如何燃烧?

那么，怎样使金属在较低的温度下燃烧呢?这就需要把金属制成非常非常小的颗粒，即小到纳米级。正常状态下的金属是不能被用作燃料的，但是当金属块被加工成纳米级的微粒时，它就具有了很高的反应活性，将其点燃会释放出大量的能量。

我们知道，所有物体的表面都有表面能，只是大块体的相对表面积小，表面能也很小。当块体达到纳米级大小时，单位质量粉体的表面积会增加到大块体的成千上万倍，表面能也升高到大块体的几百倍。直径在50纳米的金属颗粒很容易燃烧，当加热到250℃后，仅仅是一个火花就可以点燃。燃烧留下的氧化物很容易再转换成燃料，在氢气流中将氧化物加热到425℃，氧化物又变回了金属原子，氢则和氧结合生成了水。由于金属纳米粉末具有很强的特性，将其作为添加剂加入到燃料中可以大大提高燃烧效率，改善燃烧的稳定性。向固体燃料中加入0.5％的金属纳米燃料，可使燃烧效率提高25％，燃烧速度加快10多倍。

要在汽车发动机内进行这种燃烧绝非是件容易的事。早些时候，研究小组为了验证金属作为发动机燃料的可能性，曾对一辆汽车的发动机进行了改造，使之可以承受铁粉燃烧时所需的2200℃的高温，而一般汽油燃烧的最高温度才到1500℃。为了使铁粉更接近雾状，使其能与空气更好地混合在一起，研究小组选用了当时所能获得的最细微的微米级颗粒(1微米等于1门000毫米)。

实验是成功的，但是有缺陷。这些微米级颗粒一旦接触到空气中的氧，表面立刻就会产生一层氧化物。之所以需要2 200~C高温，就是为了使这层氧化膜气化，使铁粉得以充分燃烧。然而，当氧化物的蒸汽冷却凝固后，汽缸便被堵塞住了。

研究一度中断

研究小组并未气馁，现在人们已经能够制造出优质的纳米级金属微粒了。研究小组立刻抓住了这个机遇，成功地使用50纳米的铁微粒进行了实验。纳米金属微粒的体积只有微米级颗粒的0.1％，它们与空气的接触面积则比后者大得多，因此，它们在800~C的温度下就会迅速发生氧化。而这个温度是一般的发动机都能承受的。不仅如此，纳米级金属微粒还能避免形成会惹来麻烦的氧化物蒸汽。用它作为燃料，更不会像传统燃料那样产生诸如有毒烟尘、氮氧化合物等污染。

另外，由于金属中根本不含碳元素，因此以它为燃料的汽车就永远不会排放含有二氧化碳的尾气。但与金属所蕴涵的巨大热量相比，所有这些优点都微不足道。这样一个数字就能说明问题：纳米级铁微粒燃烧时释放的能量是同等体积汽油的2倍。那么在燃油箱体积相同的前提下，以铁粉为燃料的汽车能比使用汽油的汽车多跑1倍以上的路程。何况，与汽油不同，作为燃料的金属还是可以回收的呢蚋米级金属微粒在425℃下和氢反应可以“脱氧”，即氢和氧结合是生成水的还原反应。这一反应既可以在工厂里进行，也可以利用金属燃料燃烧时产生的部分热量在汽车内部同时进行。

当然，要想制造出真正意义上能够实用的以金属为燃料的发动机，还有许多问题有待解决，尤其是纳米级微粒燃烧方面的问题。这些微粒的燃烧过程只有不到百万分之几秒，实在太快了，根本来不及被用于机械驱动。而目前，汽车发动机内的燃烧过程通常都要持续0.005～0.02秒。

前景不容乐观

那么该怎么办呢?可以对纳米微粒进行“葡萄串状”的排布，以减小金属和氧气的接触面积、延长燃烧的持续时间。而这也确实是可行的。研究小组已经成功地将铁微粒的氧化时间拉长到了500毫秒，这完全符合迪塞尔发动机或斯特林发动机的要求。

研究小组目前正在研制这种类型的燃烧室，但是其他一些基础性研究也是必要的，比如要努力找到使温度、燃烧速度和发动机工作效率达到平衡的最佳方案等。还有就是，究竟选用哪种金属最合适?虽然在实验室里铁微粒的效果很好，但是铁有一个缺点：太重了。一个可容纳40千克汽油的油箱如果装满铁微粒，那就重达195千克了。

另外，在释放能量方面，铁的表现也不是最佳的。所以，现在正改用硼和铝，这两种金属在质量和产能方面，在燃油箱体积相同的前提下，能比使用汽油的汽车跑更多的路程。硼虽然轻，但比较贵，相比之下，铝是最佳的候选金属。研究小组已在火箭中使用该金属为燃料，对其燃烧情况也比较了解。而从节约的角度来看，使用铝作燃料也是比较经济的。汽车的油箱如果装满铝燃料，就能行驶500千米：而这一箱只不过45千克，比一油箱汽油重不了多少。

尽管燃烧速度和金属质量这两个问题正在得到解决，但纳米级微粒发动机的前景尚不容乐观，因为还有其他一些问题需要弄清楚。要想不排放带来污染的尾气，就意味着要让所有的燃料物质在氧化反应的同时全部冷凝，这一点目前很难实现。

而更大的问题则在于纳米级金属微粒的生产远未实现大规模工业化。首先，目前纳米级微粒产量有限，每天只能产出几千克而已。这样看来，要想建立一个有效的金属燃料发动机产业及其能源供应体系，至少还需要20年的时间。