技术领域
本发明涉及获得替代能源的工艺或方法，特别是一种将水分子分解后得到氢原子、氧原子及高能电子的光电化学法(photoelectronchemical)。该方法也可被用来降低二氧化碳、硝酸盐和硫酸盐。由于其效应是双向的，此方法可将氢原子和氧原子结合，形成水分子并同时产生电流，因此本发明亦可用于发电。
背景技术：
当今所熟悉的将水分解成氢原子和氧原子的技术方法如下：
a)使用强劲的电流。
b)将水加热至两千摄氏度℃。
c)利用光电化学方法(solar/electrochemical or photoelectronchemical)将水分解，此方法结合一半导体及一个水电解体作为一体设计。利用光作为唯一的能源直接从水获取氢，理论上是简单，但至今尚无法找到任何一种能源可以被持续利用，因为有些价格昂贵、稀少、存在污染或者效率低，且大多都会迅速分解或者一触水即败坏，有些则需要非常严格的工作环境，致使在经济损益评估之下，在经济、环保、政治角度及其它大规模的利用上执行不易，只能在特定的、小型的工艺中被利用。
d)另一个分解水的方式是将太阳能聚集(例如：利用一面镜子)，将水温提升到摄氏两千度，这是在实验室中分解水所需的温度。
e)还有一种方法，是利用光合微生物，如：绿水藻和蓝藻(蓝细菌)，这些都会利用光能执行光合作用，自水产生氢，这种光化合法稳定性高，但是此作用进行的同时会产生氧，因此这一技术必须解决氧在酶体系中的敏感性的局限，而且目前利用光合微生物从水中取氢的成本并不具备经济效益。
f)另一种方法是将水电解：利用电流将水分解成其组成的原子、氢子和氧子。以目前的方法来说有两种电解质被用于氢的商业生产：碱质和质子交换网膜。但这两种方法都不能达到使用天然煤气方法的经济效益(数据来源：美国能源总署，能源效率和能源更新，氢燃料电池和基础设备计划，氢生产和交付技术US Department of Energy.Energy Efficiency and Renewable Energy，Hydrogen Fuel Cells and Infrastructure Technologies Program，Hydrogen，Production&Delivery.)
还有种天然材料可以用来将水的原子分解开，并且经过多年研究的是叶绿素(chlorophyll)。由于它跟日光的亲近值介于400纳米到700纳米，其余的估计有将近80％的光能皆流失，而且其生产繁琐并昂贵，例如：必须保存于-8℃。因此我们决定采用黑素或黑色素(melanins)做为电解水的原素，因为其光谱亲近值是200纳米至900纳米、一般黑色素的组织构造、其明显的高氧气浓度指数，因此决定对应假设，用光照射黑素得以利用光解作用，将水分子分解成氢原子和氧原子。除了OH外，还可以通过不完全还原获得过氧化氢、超氧化阴离子、羟基氢氧基及高能电子，亦可支持及催化逆向效应。
在此之前，对黑色素的光水解和氢化合特性的研究，所称为视网膜流电图也只有文献记录。在六零年代的初期，有发现以一非生理物质强光刺激表层染色视网膜，会产生整体的潜在变化。此黑色素的结果反应出黑色素在吸光后的生理化学作用，模拟于一些早期视蛋白分子网膜电图接收器潜在形式，文献中指出学者们并未找到黑色素的临床使用方法，我们认为其原因是不了解发生原因，但是现在我们理解每一部分的分子会收集光子的能量并以此将水分子分解，即氧化。将氢和氧分开，氢本身负载电能极佳，很可能被FDA及NAD拦截，让真核生物最佳化利用生命的每一秒反复应用充电。最精彩的是黑色素的结构(基本、次项、第三、第四)允许逆向效应发生，也就是氢和氧的结合，换言之降低氧而产生水和电。也就是说当黑色素吸取光时会发生离子作用，结果是产生电，因为只有水分子分解是不够的，还需要发生反作用，即氢和氧两种原子的结合。
技术实现要素：
本发明的主要特征在于：处置常温，只利用自然光或再造光当作唯一的能源，取得水分子分裂造成氢原子和氧原子，及高能源电子。或使用黑色素，其源质、黑色素衍化物、黑色素变体和类质：polihydroxyindole，eumelanin(真黑素)，feomelanin(暗黑素)，alomelanin，neuromelanin，humic acid(腐殖酸)，fulerenos，graphite(石墨)，polyindolequinones，acetylene black(乙炔黑)，pyrrole black(吡咯黑)，indole black(吲哚黑)，benzene black(苯黑)，thiophene black(噻吩黑)，aniline black(苯胺黑)，poliquinones in hydrated form sepiomelanins，dopa black(多巴黑)，dopamine black(多巴胺黑)，adrenalin black(肾上腺素黑)，catechol black(儿茶酚黑)，4-amine catechol black(4-胺儿茶酚黑)，单线环节状，aliphatics(脂肪胫)或aromatics(含苯环)；or their proceedings as phenols，aminophenols(氨基苯酚)，or diphenols(联苯酚)，indole poliphenols(吲哚多酚类)，ciclodopa(3，4二羟基)，DHI(5，6-二羟基吲哚)Y DHICAl(5，6-二羟基吲哚-2羧酸)，quinones(醌)，semiquinones(半醌)或hydroquinones(氢醌)，L-tyrosine(酪安酸)，L-dopamine(度巴明)，morpholin，orthobenzoquinone(邻位-苯醌邻苯醌)，dimorpholin，porphirin black(卟琳黑)，pterin black(喋呤黑)，ommochrome black(眼色素黑)，freenitrogen precursories(无氮的源质)，上述所列举的物质为任意尺寸或粒子(自1埃到3～4cm)。以上所提的化合物、发电源在悬浮状态或溶液或胶凝状中，会吸收lMHZ超音波，化合物可以为植物、动物、矿物源的天然或人工合成物：可以是单一纯净物质或它们的混合物，或者有机、无机化合物，生物或非生物、离子、金属元素(钆、铁、锡、铜、铒、铕、镨、镝、钬、汞或镁、硒铅等)。钆是一种很有效的金属，此金属以离子态或粒子态融合在黑色素内，以光源(自然光或人造光，合成的或非合成的，单色的或多色的)为光电化学加注能量，而其光谱可达200至900毫微米。虽然还有其它较长的磁波及其它能量例如：动力学的，但在不同的条件中(酸碱质、温度、气压等)都会有不同级别的效率。
对于这种设计可以利用轻微的磁场渐进增加到强波，这种设计之下的效应可能在轻微或强烈生化刺激之下发生，也可能是内或外部发生。
我们建议使用黑色素(同上述)作为水的电解原素并使用光谱介于200至900毫微米的光做为唯一的能源，使用于光电化学法的氢生产。同上所述，该系统包括由一种半导体材料和一个水电解槽一体成型的反应池箱，一个含有电极的发电能源，可配备放大镜聚焦或筛选能源，在设备上添加微弱波至显著强波的磁场。在单一整体环境设计下，结合一半导体物质及一电水解质，并利用光为唯一能源来直接从水取氢。也可以使用声音，lMHZ之内的超音波，机械运动的震动、磁场等。
然而，这只是一个基本的理念，主要的挑战是要找一个可以支持整个过程的原素。至少两项基本要素是必须具备的：其一就是当此结构吸收光时，可以产生足以启动、引导、支持整个电解效应过程的能量：其二是在水环境下，具备低成本、稳定、且耐久的特性。
黑色素，及它的类质、源质或衍化物都可以适当的和有效率的满足需求。这代表了进一步解决光电化学的主要问题的进步。所适用的容器可以是多样的，例如：立方型、椎型、球型、多角切割璧、长立方型、等等。但是最重要的是要必须是透明的，如此才能透光。依所须光波长度来确定形状，例如，容器壁面可采用石英制作，以阻止容器壁面吸收紫外线。如果特定波长己经确定，可将容器壁面制作成极透光或吸光的颜色，己针对那些电磁光谱我们所感兴趣的波长的光。其材质可为玻璃或任何可配合最终电光化学特性所需要的电磁光线传输的聚合物质。可为此设计加强能源的光波长介于200毫微米至900毫微米。
在电池内，最主要的原料是黑色素。使得光电化学反应运作的黑色素溶液，黑色素类质、源质或衍化物是不可或缺的溶剂。因为设计的基础是黑色素俘获波长介于200毫微米至900毫微米光子的显著能力，该能力可能是由分子外缘的部份所具有的，这些光子是由源于低能电子的高能电子产生的。这些高能电子会移向化合物自由基的中心，之后可能被其它元素俘获，例如金属类的铁、铜、钆、铕等等，再被转载给一基础电子接受，因为这种结合是很复杂的，包含了依赖于pH值的离子相互作用，所以到目前这还是未被证实的自然现象。这类的电子转移会释出能量，可被利用来建立质子梯度。
黑色素分子和水分子的混合形成所谓光合体系(photosystem)，此光合体系使用至少两种相关的方式吸收光能：一个是移动水中电子，另一个是产生质子梯度。黑色素的结构分子都非常邻近，有助于能量的传输，当黑色素反应中心点被光照射三个微微秒时就会将一个己被光所刺激的电子传输到第一电子受体。这个传输会产生一个正电的供体及一个负电的受体。这两种带有不同电荷的物质形成的重要性在于这两种物质具备降低氧化的能力，由于其中一个缺乏电子因而吸收电子成为氧化剂；相对的，另一个多出一个电子在任何时候皆可释放，形成还原剂。形成氧化剂和还原剂的过程只需要不到万亿分之一秒，并且是光解的第一基本步骤。
由于以相反的方式充电，这两种化合物会互相吸引。电荷的分离(也许)由于分子的反向行动而稳定。负化合物会先释放电子到一醌(Ql)然后有可能再转变成第二酿(Q2)行成一种半缩减的醌分子。此醌分子可跟黑色素分子反应中心牢固连结。每一次传输会使电子更加接近黑色素分子的反应中心，黑色素正极部份会缩减，因此反应中心准备吸收另一个光子。第二个光子的吸收传递出第二个电子。这第二个分子吸收两个电子并与两个质子合并，在此反应中所用的质子可以是黑色素本身衍生的或者来自周围的水，至使光合系统的氢离子浓度下降，使质子梯度形成。理论上，降低的醌分子会与黑色素反应中心分离，被新的醌分子替代反应，此种反应都会在一般室温发生，但是改变一因素，例如气温，或其它变量(pH值，磁场，浓度，气体，部分压力，细胞型状，等等)的控制，可有助于一方或另一方的反应，及其过程的最终目标。
将水分子分解成氢原子和氧原子是一项高耗能的反应，因为氢氧原子的结合是很稳定的。在实验室内分解水分子(氢氧原子)需要强大的电流量，或将温度提升2000℃。上述情况(水电解)在室温下通过黑色素获得，只用到波长介于200毫微米至900毫微米的光能量，无论是自然光或再造光，直射与否，聚光或散光，单色或多染色。一
一般估计醌附带的氧化还原的电压大约是+1.1V，足以吸收水分子中低能量的电子(附带氧化还原电压+0.82V)，将氢和氧分开。以光敏色素进行水分解称为光电解。一般认为在光电解进行当中产生氧分子的同时会从两个水分子中流失四个电子：
一个反应中心只可以制造一个正电荷，或等同的氧化物。假设这个问题可以由在黑色素反应中心存在的四个原子氮来解决，每一个传递出一个电子。这种氮浓度每传递四个电子(每次一个)累积四个正电荷到最邻近的正醌(quinone+)。
这种从反应中心的氮向正醌(quinone+)的电子的传递是通过穿过正电酪氨酸的过程获得的。每个传递到正醌的电子再产生醌之后，其染色体会在光合系统吸收另一个光子后被再氧化(再一次为正醌)。如此由反应中心氮原子的四个正电荷(或等同的氧化物)的累积，被黑色素光合系统的四个光子渐进吸收而修正。一但累积四个电荷，释放醌群组的氧会催化从2H20中移动的4e-，形成一个O2分子，再造反应中心氮的完全缩减量。
由光分解产生的质子，在供应质子梯度的介质中释放，光合系统必须照射多次使得O2得以释放，然后得以计算氢，这表明各别的光合反应必须在释放O2和氢之前进行累积。
醌是用于附载移动电子的载体，随电子连续的被传递给载体并伴随着逐渐增加的电子亲和性，所有的电子传递动作会释放能量(正氧化还原能力较大)。显示对于电子的移动载体的存在是必要的。自光解作用所产生的电子可以传给多个无机受体而后减少。这种方式会造成暂时性的氨分子(NNH3)内的硝酸盐分子(N03-)硫化氢根(SH-)内的硫酸盐的减少。这反应使无机物变化成为生命必要之物。如此太阳光不仅可利用在于减少碳原子(C02)的最大的氧化形式的，还可降低氮和硫的氧化形式。
一个O2分子的产生需要两个水分子中四个电子的移动，水的四个电子的移动需要吸收四个光子，每个电子各一个。
反应池箱的层状结构的设计牵涉到获得效应的最佳效果，由于电子的加入，其自然特性，磁场的利用，几种化合物(有机物或无机物质、离子、金属、毒素或药物)增加到最初只有黑色素和水的光合系统。再加上电解质和药剂，控制温度和部分气压，控制产生的电流量，磁场的使用，pH值的水平，制作电池的材料、形状、内部分区的部署等等。至于其它变量皆可控制己达到获得电子或质子或氧，及根据配方溶解于黑色素中所得到化合物质。因此，黑色素及它的类质、源质或衍化物(其类质、天然或再造源质、纯质或混合有机物及无机物质、金属)，允许其设计可依照所希望的效果有较大的机动性。
光电化学的最佳化设计依据所期待的结果而定。例如：为了更多质子和氧或电子的产生，可利用宽面的器皿盛装液体物质，于是被光照射的面积就越大。如同其它方法，例如：添加电子负载质、药物黑色素、使用聚光用的正放大镜等等。器皿的设计基本上是没有限制的，可以是圆球状、立方块、菱形状、多面切割璧、平凹型、平凸型、双凹型、双凸型、一边含放大镜(于向光的一面、以利聚光)另一面为平面、圆筒状、中空圆筒状、圆锥(直)状、去顶圆锥状、矩形棱镜状、梯型棱镜状、矩形金字塔状、去顶金字塔状、去顶球截形、球截形、球体的一部分、用圆筒状的穿孔球体、用圆锥的穿孔球体(戒指圆的部分)、倾斜切割圆柱、模形圆柱体、桶状、半棱镜桶状，以及它们的混合式结构等等。由于液体可以融入任何形状，唯一必要条件是允许最多光线透过及所使用的黑色素的种类，(例如：混合或纯质)，选择一些特定的波长照射黑色素会有帮助。但是到目前为止，再造可溶性黑色素的最大优点在于它几乎可接收所有波长的电磁光谱，在波长介于200毫微米至900毫微米的接收最佳。
池箱结构内的部分气压控制是个重要的因素，但也要依不同的池箱的形状及其用途而定，其压力介于O.lmmHg到3或4个大气压。另一个该注意的变量是溶解于液体中的不同物质的浓度，而其中最重要的是黑色素，其浓度可在0.1％到100％范围内；还有另一些易被修订的变量是基于配方所含的各种元素的比例，因为钾的浓度可自0.1％增加到10％，钠的浓度自0.1％增加至10％，氯的浓度自0.1％增加至10％，钙的浓度自0.1％增加至10％，铁的浓度自0.1％增加至8％，铜的浓度自0.1％增加至5％，砷的浓度自0.1％增加至8％或9％，金的浓度自0.1％增加至8％或9％，银的浓度增加到跟金的浓度一样，镍的浓度自0.1％增加至8％，还有钆、铕、铒等等。最终的体积可视容器的大小和可用空间自1微升至10或20公升，温度可介于2～45℃，液体的更换频率可以从每15分钟到几个月或2至3年。电池结构内部所组成的每细小间格可以是小型微球状(电池内可以容纳许多这样的微球)，或大到在整体电池结构内只可装入三或四个圆球。至于电池结构内部的形状可以为立方块、菱形状、多面体、平凹型、平凸型、双凹型、双凸型、一边含放大镜(于向光的一面、以利聚光)另一面为平面、圆筒状、中空圆筒状、圆锥(直)状、去顶圆锥状、矩形棱镜状、梯型棱镜状、矩形金字塔状、去顶金字塔状、去顶球截形、球截形、球体的一部分、用圆筒状的穿孔球体、用圆锥的穿孔球体(戒指圆的部分)、倾斜切割圆柱、楔形圆柱体、桶状、半棱镜桶状，以及它们的混合式结构等等。显微镜的屈光度可从0.1到100。间格内氧化还原使用的元素(铁、银、铜、鉮、金、白金、硅砷、钆、铕、铒、镨、镝、钬、镁、硒、铅、及其它们的合金，等等)。
正极或负极是否利用这些材料(例如：白金、铁、银、金、钢、铝、锡、砷、钆、铕、铒、镨、镝、钬、铭、镁、镓)依据其获得电子及氧的最佳特性，但是不可遗忘的是当有金属或硼的存在时，氢是以-1状况运作：另一项变量是液体的初期的pH值，其大小可从2或3到8或9，然而最常用的pH值是7。上面所提及的变量是各种可利用的变项，但依然可以控制光电解的过程，并且可调整至个案所需要的光电化学条件。
然而任何一个效果好的光电化学设计的核心都是黑色素，也就是说黑色素及它的类质、源质或衍化物为主要的电化质。当溶解于水中，同时催化光解过程。除了镁、铁、铜、铅及其它元素的存在之外，并无需有所更动。因为这些元素与部份抗氧原子(超氧阴离子，氢氧自由基，过氧化氢，醌，邻位醌)结合将使黑色素的效率或快或慢的受损，但是若只使用纯质的浓度10％黑色素，化合物的持续时间足够长(几年)以能够产生经济效益，黑色素的合成是一个非常有效的过程。无论从经济的角度或生态的角度考虑皆是可行的。因为，纯黑色素本身是完全可以生物分解的，而平常只需要添加蒸镏水和定期替换黑色素溶液于电池结构内，或者是将电光化学设计置于光线照射之下以优化和加强反应过程，更新相关物质。反应最终产物(例如：水分子、氧分子或原子、氢、高能电子)的生态优点是可易见的。也会有少许的具有温室效应的C02产生。这些电子的转换释放能源，被用来建立质子梯度。
传递电子的同时，质子的移动可被其它离子所补偿，使用一网膜及配有适当溶质的溶剂，网膜的电压可以通过黑色素的光子俘获产生。
黑素的电解特性(在多种不同的解释中)可以解释视网膜电流图中可见光所产生的峰点。因为当黑色素受光时，细胞内pH值下降，刺激了细胞底侧网模内氯管道对pH的敏感度。光线的峰点是FOT(fast oscillation through)之后的一个电压的增加，并且从直流电的视网膜电流图中形成了最慢及最持久的原成分(Kris 1958，Kolder 1959，Kikadawa 1968，Steinberg 1982.)。
黑色素及它的类质、源质或衍化物的为主要的电化质，会使水氧化成为0，O2和H2，吸收自光子所得到的能源，并用氢原子减少氧原子直到形成水(H20)分子，释放出能源(电，但是也可以储存电。也就是说可当作电池或蓄电池。如此就不只是产生能量，还可以保留能量至一个特定的期间)，这也就是为什么电池结构可依需求制作成所适用的形状。
利用光可产生H2及O2原子，这些元素的产生可以利用添加黑色素(黑色素及它的类质、源质或衍化物的为主要的电化质)与金属或有机或无机分子来得以增加，也可以改变电解液浓度，加入药物或控制光线照射于水和黑色素(黑色素及它的类质、天然或再生源质或衍化物)液体的特性。例如：利用显微镜来浓缩或筛选特定光波长、聚光或散光、单一色光、多色光、延续光或非续式的、天然的或再造的等等。光电化学效应在两个方向发生，水分子自行分解，而且又自行结合。因此它能恢复设计的电流并且能通过不同的物质(药物，金属，电解质，有机和无机生物分子和其它)与黑色素的结合得以优化，或者利用显微镜聚光及其它方式。
包含液体的容器因其需要适用可以有不同的形状，设置在房子屋顶，汽车顶部，工厂大楼，工业生产线等等。细小间格互相交集，但其主要元素还是黑色素(黑色素及它的类质、源质或衍化物)，溶解于水，在光线之下完成水分子光解。
黑色素及它的类质、源质或衍化物移动水中的电子并产生质子梯度。依附于光的反应也能产生能量把C02还原到CH20，硝酸盐还原到氨，硫酸盐还原到硫代氢根。
有一种化合物曾在文献中报告并且被证实可启动并且运作完整过程的是叶绿素，但是由于吸收的光主要位于可见光谱的极端位置，估计80％的能量被浪费掉。相比之下，我们所提议使用的黑色素，会实际吸收电磁辐射的柔及强的紫外线及全部可见光谱及远近波长红外线(Spicer&Goldberg 1996)，吸收其他能源，例如动力能源或者其它波长的电磁谱，也是有可能的。
具体实施方式
在己经进行的小规模实验中，依照、比例架构活动促成黑色素的这些重要特性，把水溶性的人工合成黑色素放在水里，在室温下，于5个20mL高密度聚乙烯透明烧瓶内，配制成1％的溶液。分别测量照射了30分钟来自自然源(太阳)的可见光之前及之后的pH值：测量得到的结果是pH值平均减少两个小数单位(从7.3到7.1)，因为黑色素本身具有缓冲特性，因此这种变化一定更大，但被黑色素固有缓冲特性所掩盖，我们只发现pH值改变的部分，这种pH值的变化与生物学系统相关。如果变化过大，或许会破坏乃致严重伤害到细胞，如此范围内的变化足够牵引这些特别化合物的生物变化。为了突显对于生物减少0.2单位pH值的重要性，我们将引例其所造成的结果如下，就血液而论，这种变化将增加10％的钙浓度。
此外，血液的总pH值变化从7.38到7.44，动脉血从7.36到7.41，静脉血从7.37到7.45，其变化范围非常狭窄，所以2个小数单位的pH值的变化在生物系统里是相当重要的。
在一个最初的精密设计里，我们估计通过电流所释放的氢将得到平均50mV值电压，并且在每个尖峰中间或得110mV，相应大约1到2单位pH值，每个pH值单位相当于产生1×10-7摩尔/升的氢产品，因为氢的摩尔质量为1克/摩尔。
另一方面，黑色素细胞是在生物体里与钙最密切的细胞，其密切程度是骨头的1000倍，虽然后者含量较多，但仅以矿物质形式沉淀。
另一个支持该专利申请的例子是通过被黑色素细胞包围的脉络膜管进入眼睛(动脉)的血液，氧饱和度为97％，出来时血液的氧饱和度为94％，CO2的浓度为40％。观察到只有3％的氧饱和度的减少，是非常令人好奇的。这个不平常的特征对于眼部血流的快速是无法解释的，眼部血液的流速在10～20ml/min/g之间变化，是脑部血液速度0.5ml/min/g的10到20倍。另外，如果血流的速度可以解释的话，视网膜的氧饱和度就是相似的(动脉中97％，中央静脉中94％，CO2为40％)。但是事实并非如此，因为在视网膜中的数值和在其余器官中的一样，就是说，进入时氧饱和度为97％，出来时为60％(静脉)，CO2为40％。当我们注意到黑色素的电解性质，这个直到现在在文献上都无法解释的令人好奇的差异就迎刃而解了。这个性质在任何文献中都没有被提及过，我们是第一个推断并报道这个事实的人。另一个支持该专利申请的生物现象是，一旦用光照射视网膜的色素皮膜细胞，正常情况下就会导致细胞间pH值下降，反之在文献上直到今天都无法解释，只是流传一种没被证实的物质，但是如果我们注意到黑色素的电解性质，它的用途己经被我们专利化，就是说在光照下，黑色素分离水分子，创造出氢原子和氧原子，然后就可以解释之前提及的两种现象，静脉中脉络膜血液神秘的94％的氧饱和度(脉络膜很容易电解)和视网膜的色素皮膜细胞中pH值的下降。大自然因为某种原因使眼睛中分布许多色素，比皮肤中多40％。另一个能支持我们专利申请的例子是视网膜、色素上皮以及脉络膜电子活动中由可见光造成的峰值，因为一旦照射到黑色素并制造氢原子，细胞内的pH值下降，刺激了侧底部细胞通道中氯对细胞膜的pH值敏感。光的峰值是跟随FOT阶段(快速波动通过快速振荡)的电势的增加，并造成直流电的视网膜电流活动的最慢且最长的要素，此活动的分子本质到现在都没有被揭示出来，但是黑色素的电离本质能够很好的解释它。