一件往事及普及一些科學知識

芨芨草

最近偶然讀到《科技日報》的一則報道∶“水裡“曬”出氫能源 南大創世界之最”，想起了一件塵封往事。

先看報道摘要（這則報道登在了南京大學的網頁上）∶

“1月9日，南京大學鄒志剛教授、武漢理工大學余家國教授雙雙手捧證書站在北京人民大會堂，在此次國家科技獎勵大會上，光催化材料領域一舉奪得兩項自然科學二等獎。鄒志剛等完成的《可見光響應光催化材料及在能源與環境中的應用基礎研究》，是利用太陽可見光將水分解為氫和氧，轉化效率高達6%。該轉化效率達到世界最高值，成為我國在國際光催化領域的標誌性成果之一。

“氫有綠色燃料之稱，它取自於水，燃燒之後又回歸於水；它的燃值是汽油的3倍，火箭、高速賽車都把氫作為提升動力的最佳燃料。”鄒志剛談起氫能源十分興奮，“把氫作為人類的終極能源，這是一項夢一樣的技術！”

1972年，日本東京大學的兩位科學家發現，在紫外光照射下，二氧化鈦單晶電極能使水在常溫常壓下發生分解反應，產生氫氣和氧氣。

而後的三十多年，儘管各國科學家做出了不懈的嘗試和努力，但僅占太陽光5%的紫外光，讓光分解水制氫的轉化率低得可憐。若想進一步提高轉化效率並有實際商用價值，只能向占太陽光43%的可見光方向突圍。

2001年，鄒志剛與合作者在這一領域書寫了一個大大的驚嘆號∶他們把在氧化物超導材料領域所獲得的結晶物理學材料設計手法、經驗、知識等應用於光催化領域，首次在世界上成功地開發出可見光響應型水全分解光催化劑。這種新型複雜氧化物光催化材料的提出，代表了第二代可見光響應型光催化材料體系研究的開始。

這一研究成果發表在《自然》雜誌；同一天，世界另一著名科學雜誌《科學》，也以《水＋太陽＋新催化＝新能源》為標題配發評論，稱“這是一個突破，雖然還有很多的工作要做，但是這一研究成果必將影響未來研究的整個過程”。

“預計到第二期973項目結題時，我們的光催化水解制氫轉化率將達到8%，接近美國能源部制定的10%商業化利用目標，中國人有望率先實現人類百年前的夢想。”鄒志剛說。”

再看C00網友的評論∶2015-02-06 鄒志剛在吹牛。這一次的國家自然科學評獎工作是有史以來最差的。很多都是公關的結果。張學堯顛覆了馮諾依曼結腹就是一例。中紀委巡視組已經再次進駐南大，等着吧，有好戲看。

2001年我正在日本的一所大學做研究員（日本的大學裡沒有博士後一職，大學裡的研究員相當於美國的博士後），研究室的教授的研究主題是開發將水分解為氫和氧的光催化劑。某日，聽到筑波（筑波是一個地名，有很多研究所。日本人稱其為日本的硅谷。鄒志剛當時所在的產業技術綜合研究所(AIST，簡稱產綜研)也在筑波。）方面的消息，有一個研究室的一篇分解水的文章登在Nature上了（Nature 2001, 414, 626），第一作者是一個中國人。教授也是做分解水的，比較關心這一信息，讓一個博士生根據文章重複該實驗。但學生報告只有少量氫和氧產生，達不到文章所寫的結果。

做過科研實驗的人都知道，有時根據文章所寫的實驗方法自己去做但重複不出文章所寫的結果，這涉及到實驗技巧，而作者一般不會把實驗技巧寫進文章。日本的小保方晴子在外界對她所做的STAP細胞質疑時就辯解她有別人所不知道的實驗技巧，所以別人重複不出她的結果，但在確認STAP細胞是否真正存在的驗證實驗中小保方晴子並沒有展示出她所說的實驗技巧，也沒有做出STAP細胞。我在另一個研究室做研究員時，研究室里有一個中國研究員，那個人很勤奮，周末都進實驗室。教授很欣賞他，想留他做助教，他沒留下，回國進中科院當教授去了。他走後，教授讓其他學生繼續做他做過的研究，但學生做出的樣品的測試結果不及他寫的文章里的結果。教授邀請他暑假時來研究室做一個短期訪問。他回研究室後，做出的樣品的性能和他的文章里的結果相同。這就是實驗技巧的魅力。

扯遠了，回到本題。教授從那個實驗室要了一些他們做的樣品，讓學生做光催化反應實驗，但結果和以前一樣。後來學生在實驗室的報告會上說，他做了空白實驗（把反應容器用黑紙包上，無光條件下），仍有相同量的氫和氧產生，他推斷這些氣體產生於磁棒旋轉的摩擦熱（為了增加水和催化劑的接觸面積，做光催化反應時要在容器里放一個磁棒，容器外的下部放一個磁場發生器，帶動磁棒旋轉，攪動催化劑懸浮於水中，否則催化劑會沉積在容器底部。旋轉的磁棒和容器底部接觸，會產生摩擦熱。所以在計算光催化反應的結果時要減去因摩擦熱產生的結果。）。教授聽了後，哈哈一笑說∶大概是搞錯了，行了，以後就別提它了。日本是一個能源短缺國家，每年進口石油要花幾千億美元，所以政府和民間都很重視新能源開發。Nature發了這篇文章後，日本媒體也做了報道，但因結果還是實驗室水平，離實際應用還很遠，不像STAP細胞會顛覆傳統觀念，並牽連到眾多身患不治之症的病人，所以在日本沒引起太大的迴響，而且做光催化分解水的研究室不多，也不是每個研究室都有驗證文章結果的興趣，所以沒有打假之聲響起。以後聽說該研究室改換研究方向，做BiVO4催化劑了（鄒志剛團隊現在的主要研究題目還是BiVO4）。一般而言，如果能在Nature或Science上發文章，結果又確實不錯，作者會繼續深入研究該題目，而不會文章發了，就換研究方向。再以後，聽說文章的第一作者回國了。鄒志剛當時在產綜研的身份是非常勤職員。在日本，常勤是正式員工，非常勤一般指契約員工，一年一簽工作合同。如果真是研究結果很好，研究所希望繼續做下去，會幫助把非常勤身份轉成常勤身份。

Nature每年發的科技文章很多，不可能驗證每篇文章的結果的真實性。即使有人驗證出不實，也未必會提出來，同在相同領域，以後打交道的時候還很多，犯不着為這點兒事撕破臉皮。知道驗證出分解水這篇文章的結果不實一事的人不多，且多是日本人，教授都不計較，學生們就更不多操心了。對於鄒志剛來說不巧的是，我知道驗證這件事情，而我又是個在科研上眼裡不揉沙子的主兒，所以把這事如實記錄下來。鄒志剛當時應該是做實驗的人，未必是造假，實驗中的疏忽導致文章的錯誤結論。科研做假多是一人所為，涉及的人多了泄露的可能性就大了。現在的鄒志剛團隊有幾十人，實驗都是學生在做，應該不會再有把摩擦熱誤認為入射光的效應的事情了。

做研究的人分為兩類。一類是真心熱愛研究，這類人數量很少。前幾年日本媒體報道了一個一門心思做研究的日本人，博士畢業後也不找工作，也不回日本，因為日本沒有他想做的研究題目的研究室，十幾年來一直在美國的他畢業的研究室里做博士後，一年365天，天天泡在實驗室，40多歲了還不結婚。另一類人是把研究當作一種職業，說直白了就是一個掙錢的飯碗，為了生活去做研究，這類人數量很多。做研究要有經費，沒有錢，想法再好，什厶都做不成。申請經費，也有競爭，憑什厶給你不給他呀？為了拿到經費，有時就要把話扯得大一些了。光分解水的研究已經做了30多年了，還是停留在實驗室的水平。光分解水很可能不能大規模地用於實際應用，只限於在實驗室里冒幾個氫氣泡，點着了唬一唬不喑世事的小學生和不懂科技的政府官員。不過正在做這項研究的人們不會承認，承認了還到哪去拿錢呢！

南京大學網頁上介紹鄒志剛的研究的內容應該是鄒志剛本人提供的，否則別人也不會知道得這厶詳細。在介紹里有一些忽悠點，非水分解專家的99%以上的普羅大眾看不出其中的奧妙。現在就把這些忽悠點逐一解釋一下。

1、“2001年，鄒志剛與合作者在這一領域書寫了一個大大的驚嘆號”。2001年，鄒志剛是產綜研的被僱傭的高科技民工，為了實現老闆的想法做實驗。如果一個民工能說僱傭他的老闆是他的合作者，這臉皮也就夠厚的了。馮勝平在他的一篇文章里說，“樹若無皮，必死無疑；人不要臉，天下無敵。”(《周末文刊》，2015年第6期)

2、“利用太陽可見光將水分解為氫和氧，轉化效率高達6%。該轉化效率達到世界最高值，成為我國在國際光催化領域的標誌性成果之一”。鄒志剛沒有說用的什厶光催化劑，也沒有說所用的光源波長，也沒說明是什厶轉化效率，是太陽能的轉化效率，還是太陽可見光能的轉化效率，還是水分解為氫的轉化效率？讓不了解這個領域的人沒有評判的標準。在光分解水領域裡，一般不用轉化效率這種含糊的提法，用量子回收率(quantum yield)，其定義是全分解水所需的光子(photon)總量與入射光的光子總量之比。鄒志剛在他的Nature上發表的文章里用的也是quantum yield。做科研的人，即使在自己的研究領域沒有做出什麼成績，也應該多查查文獻，了解同行們的成果。閉門造車，自吹自擂，只能貽笑大方。到目前為止，利用可見光全分解水的最好量子回收率是6.3%，光催化劑是日本的東京工業大學的前田和彥副教授研製的Pt/ZrO₂+TaON(光源波長: 420.5nm)(J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 5858);利用紫外光全分解水的最好量子回收率是70%，光催化劑是日本的山口大學的酒井喜久副教授研製的RhCrO₃/Zn+Ga₂O₃(在日本的學會上做了報告，尚未發表在雜誌上)，已發表的文章的轉化效率是24%，光催化劑是Rh_0.5Cr_1.5O₃(Rh:0.5wt%)/b-Ga₂O₃(光源波長: 254nm)(J. Catalysis, 2014, 310, 45)。

3、“僅占太陽光5%的紫外光，讓光分解水制氫的轉化率低得可憐。若想進一步提高轉化效率並有實際商用價值，只能向占太陽光43%的可見光方向突圍”。這是一個大忽悠點，讓不懂這方面知識的政府里審批科研經費的官員們認為能利用43%當然比只能利用5%要好得多了！鄒志剛在他發表的文章里也多次提到這個43%。某一光催化劑的傳導帶(conduction band)與價帶(valence band)之間的能帶隙(band gap)是一定的。在使用一種光催化劑之前要測定與其能帶隙對應的光波長，選擇該波長的濾光鏡裝在光源上，只讓該波長的光射進反應容器，這一催化劑不吸收其它波長的光。在寫出光催化劑時要同時列出其吸收的光波長。沒有哪個光催化劑可以利用太陽光的所有可見光！所以“向占太陽光43%的可見光方向突圍”的提法沒有任何意義。提高光催化劑的量子回收率才是有意義的作為。太陽可見光的波長範圍是400nm - 800nm。為易於理解，假定可見光的波長是整數，某一光催化劑的轉化效率是100%，則該催化劑可利用的可見光也僅占太陽可見光的0.1%，占太陽光的0.043%。鄒志剛們在Nature上發表的文章里用的In_1-xNi_xTaO₄(x = 0 - 0.2)的量子回收率也只是波長>420nm的0.66%,用波長>420nm的光源大概是因為In_1-xNi_xTaO₄是一種混合物，沒有特定的能帶隙。

4、“預計到第二期973項目結題時，我們的光催化水解制氫轉化率將達到8%，接近美國能源部制定的10%商業化利用目標，中國人有望率先實現人類百年前的夢想。”。這又也是一個大忽悠。做科研不能預定到達目標的時間，不像爬摩天嶺，多努一把勁就先爬上去了。如果到時做不出來，為了實現“中國夢”，就只能造假了。在實驗室里做研究是不計成本的，把實驗室的結果放到實際應用時就要考慮收入支出。不是只有太陽光就可以將水分解源源不斷地生產氫，在這一過程中還要使用磁場發生器帶動磁棒旋轉以攪動光催化劑，而使用磁場發生器是要用電的。現在合成光催化劑使用的都是高價原材料，也是在實際應用時必須考慮的因素。

5、在鄒志剛任主任的南京大學環境材料與再生能源研究中心的網頁上有一篇文章，“光催化材料的機遇與探索--鄒志剛”，裡面有一段話，“我國太陽能資源十分豐富，每年可供開發利用的太陽能約1.6×10¹⁵瓦，大約是2010年中國能源消耗的500倍。”這又是一個大忽悠。無論誰讀了這段話，都會感到很振奮∶哎呀，咱們國家有這厶多可以利用的太陽能！若是能夠全利用上，咱們國家的能源問題立馬就解決了，還可以出口多餘的能源換外匯。多厶美好的遠景！政府趕緊支持他們吧。不說高山大河，草原沙漠上空的太陽能是否能夠利用，假設中國大陸接受到的太陽能都能被利用起來，那中國人民就1年365天，1天24小時都生活在黑暗中了，比霧霾還不見光，勞苦大眾又回到暗無天日的舊社會了。

該研究中心的自我介紹里這樣寫道，“南京大學環境材料與再生能源研究中心於2003年5月正式成立，以“長江學者獎勵計劃”特聘教授鄒志剛博士為學科帶頭人。”鄒志剛應該是拿2001年在Nature上發的文章做敲門磚獲得這一職位。中國學術界還是很看重在Nature和Science這樣頂尖的雜誌上發表文章。在中國大陸現在的大環境下，如果沒有後台，沒有背景，沒有關係，沒有“李剛”式的爸爸，再沒一張像樣的拜山帖，光是嘴裡念着“芝麻開門”，撞破頭也進不了殿堂。拿塊敲門磚沒有錯，這塊敲門磚大概因為涉及到水分解，水分大了點兒。唐駿如果最初拿不出一張花錢買的西太平洋大學的博士證書，各大公司不會拿眼睛夾他，他再有多大能力，也當不上“打工皇帝”。前幾年大陸官場升官知識化，被提拔之前先要檢查是否有文憑，各級官僚到黨校住兩個月，捧回一張碩士畢業證書。據說習大大的法律博士也有水分，不過“打假專家”方舟子不敢碰這塊禁臠，除非他活得不耐煩了。

“鄒志剛談起氫能源十分興奮，“把氫作為人類的終極能源，這是一項夢一樣的技術！””鄒志剛這話倒沒說錯，氫是最後的能源，把氫燒光了就再沒別的可燒了。太陽把氫燒光了太陽和太陽系就毀滅了。分解水獲得氫和氧從能源角度看是一項得不償失的技術，所以也只能是“一項夢一樣的技術”，白日說夢話。

附記：想貼到國內的網頁上，不知怎厶操作。哪位熱心的朋友幫幫忙。先謝了。