(“科學(xué)美國人”中文版《環(huán)球科學(xué)》雜志報道）斯圖爾特·利希特（Stuart Licht）設(shè)計出了一臺“終極再循環(huán)機器”。
圖片來源：TANG YAU HOONG
他與同事們在喬治·華盛頓大學(xué)的實驗室里建造了臺太陽能反應(yīng)器，這貨可以從大氣中吸收二氧化碳（CO2），也就是化石燃料燃燒后的副產(chǎn)物，并利用太陽能將其重新轉(zhuǎn)化為燃料。這個過程包括好幾個步驟，水也參與反應(yīng)，并生成氫氣（H2）和一氧化碳（CO），它們反過來可以生成液態(tài)烴燃料。利希特所設(shè)計的裝置是已有的同類設(shè)備中最高效的。
這個機器只是全世界的實驗室中逐漸成型的眾多太陽能科技之一。它們象征了一個美好的愿望：有一天人類可以不再依賴化石燃料，而是從陽光、空氣和水中獲取交通用燃油，并在此過程中部分消除之前依賴化石燃料而排放的CO2。
目前，這些計劃還沒達(dá)到對石油產(chǎn)業(yè)造成威脅的程度。在利希特的設(shè)計中，反應(yīng)器的某些部分需在高達(dá)1000℃左右下運行，這個溫度實在是太高了，所以需要特殊材料來將設(shè)備組件固定在一起。研究人員也正在尋找其他解決辦法，如開發(fā)催化劑以使同樣的反應(yīng)能在接近室溫的條件下進(jìn)行，或通過太陽能或其他可再生能源發(fā)電來推動這些化學(xué)結(jié)合過程。
更大的困難在于成本問題。目前而言，石油很便宜，因此我們還沒有足夠的動力來使用高精尖而昂貴的替代品。但是鑒于氣候變化形勢嚴(yán)峻，而用太陽能將二氧化碳變?yōu)槿剂线@一概念看起來又足夠美好，全世界已經(jīng)有眾多的科學(xué)家投入到太陽能燃料的研究中。“這是當(dāng)前非常熱門的領(lǐng)域?！奔又荽髮W(xué)伯克利分校的化學(xué)家奧馬爾·亞吉（Omar.Yaghi）說道。而利希特的反應(yīng)器證明，這些研究有著實打?qū)嵉倪M(jìn)展?！拔覀冞€沒有完全搞定，但正朝著正確的方向前進(jìn)?！逼樟炙诡D大學(xué)的化學(xué)家安德魯·博卡爾斯利（Andrew Bocarsly）表示，他也一直致力于開發(fā)低溫催化劑。
風(fēng)力發(fā)電場、太陽能電站等可再生電能的平穩(wěn)擴張，讓這項技術(shù)的簇?fù)碚邆兩踔量吹搅似湓诮?jīng)濟上可行的一絲希望?，F(xiàn)在，風(fēng)車與太陽能電站產(chǎn)生的電能有時候會供大于求，專家認(rèn)為，如果這種供求過剩的電能可被儲存在化學(xué)燃料中，電力公司就能隨時隨地使用省下來的能源，順便還能在這方面獲得額外收入。
雖然我們對于氣候變化憂心忡忡，但是人類對于液體燃料的需求也不會就此消失。汽油和其他液態(tài)烴燃料因為具有高能量密度和易于輸送的特點，一直是世界交通基礎(chǔ)架構(gòu)的支柱。研究人員繼續(xù)致力于將低碳可燃?xì)怏w（如甲烷和氫氣）用作運輸燃料，并且電動汽車數(shù)量也在迅速增長，但是對長途汽車、重型車輛以及飛機而言，并沒有比液體燃料更好的選擇。太陽能燃料的擁護(hù)者認(rèn)為，若能通過易于獲取的原料如水和CO2制備這些運輸燃料，可極大減少日后CO2排放量。
冰島碳循環(huán)國際公司
該碳循環(huán)工廠位于冰島，由地?zé)崮茉打?qū)動，可將二氧化碳轉(zhuǎn)化為合成氣，并最終轉(zhuǎn)化為甲醇燃料。
歸根到底，這就是燃燒的反過程，將能量從太陽能或其它可再生能源處轉(zhuǎn)移到化學(xué)鍵中?！斑@是非常具有挑戰(zhàn)性的問題，也是一場艱苦的戰(zhàn)斗。”匹茲堡大學(xué)的化學(xué)家約翰·基思（John Keith）說道。這和植物自行合成生長所需的糖類差不多，但是植物只能將太陽能的1%轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。為了能驅(qū)動起我們工業(yè)化的社會，研究人員需要做得更好，基思認(rèn)為這一挑戰(zhàn)堪比將人類送上月球。
問題的關(guān)鍵在于，CO2是一種結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定而且不活躍的分子，化學(xué)家只能通電、加熱或二者雙管齊下強制它參與反應(yīng)。此過程的第一步是奪去CO2中的氧原子以生成CO，之后由CO與H2制得合成氣，合成氣又可轉(zhuǎn)化為甲醇——這種液態(tài)酒精可直接使用或轉(zhuǎn)化為有價值的化學(xué)品與燃料。大規(guī)模的化工廠也這樣做，但其合成氣的原料不是源自大氣而是來自豐富又價廉的天然氣。因此，化學(xué)家面臨的挑戰(zhàn)是通過可再生能源來制備比傳統(tǒng)方法更廉價的合成氣。
利希特將他的機器制備的CO和H2的混合物稱為“太陽氣”（sungas），他表示要直面?zhèn)鹘y(tǒng)方法帶來的價格挑戰(zhàn)，從免費的太陽能中獲取熱能和電能。一篇發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）中的論文中詳細(xì)介紹了他的裝置，首先用到的是一塊高端商業(yè)型聚光太陽能電池。它將一大片太陽光聚焦到半導(dǎo)體面板上，在高壓下將入射太陽能的38%轉(zhuǎn)換為電能。接下來電能被分流到兩個電化學(xué)電池的電極上，一個電池電解水，另一個電解CO2。與此同時，陽光中剩余的大部分能量被捕獲為熱能，并將這兩個電池預(yù)熱到數(shù)百攝氏度，這一步驟可以將分解水和CO2所需要的電量降低25%。利希特說，最終高達(dá)50%的太陽入射能量可轉(zhuǎn)化為化學(xué)鍵能。
目前還不清楚這一過程制備的合成氣是否比天然氣制備的合成氣要便宜。但利希特指出，根據(jù)2010年的一篇對于他2002年提出的太陽能分解水設(shè)備的經(jīng)濟性評估報告，使用他的方法生產(chǎn)1公斤H2（相當(dāng)于4升汽油的能量）的成本為2.61美元。
進(jìn)一步降低成本對于利希特的太陽氣裝置而言有點困難。他的設(shè)備使用稀有且略貴的金屬鋰作為電解質(zhì)，鋰的限量供應(yīng)阻礙了大規(guī)模應(yīng)用。利希特還面臨著來自其他研究人員的競爭，他們也通過高溫來加速水和CO2的分解，但都完全依賴電能加熱而不是太陽能。同太陽氣一樣，這些固態(tài)氧化物電解池方案，也面臨著在高溫下持續(xù)工作的挑戰(zhàn)。
盡管困難重重，博卡爾斯利和其他研究者們?nèi)匀辉噲D在低溫下分解CO2，其中的一種方法已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化。2012年，冰島一家名為國際碳循環(huán)（Carbon Recycling International）的公司設(shè)立了一座通過可再生能源生產(chǎn)合成氣的工廠。該公司利用當(dāng)?shù)刎S富的地?zé)豳Y源發(fā)電，以驅(qū)動電解裝置分解CO2和水，生成的合成氣之后被轉(zhuǎn)化為甲醇。
當(dāng)然了，全球大部分地區(qū)都沒有冰島那樣豐富的地?zé)豳Y源來驅(qū)動這一分解過程，因此研究人員正在尋找能用更少的能量來分解CO2的催化劑。這些催化劑通常分布于陽極——含水電解槽的兩個電極之一。在陰極上，水分子被分解為電子、質(zhì)子以及氧氣。電子和質(zhì)子被輸送到陽極，陽極上CO2分子分解為CO與氧原子，氧原子又與電子、質(zhì)子結(jié)合生成更多的水。
現(xiàn)在，此類催化劑的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”就是金屬金。上世紀(jì)80年代，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在所有的將CO2分解為CO的低溫裝置中，金電極活性最高。隨后在2012年，斯坦福大學(xué)的化學(xué)家馬修·卡南（Matthew Kanan）及其同事發(fā)現(xiàn)了更好的材料：據(jù)他們發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）的報道，用一層薄薄的納米金晶體制備電極，可將所需電能減少50%，并把催化劑活性提高10倍。金微晶間的邊界可能有促進(jìn)反應(yīng)的作用。
黃金的價格約36000美元/公斤，對大規(guī)模使用來講仍然過于昂貴。去年，特拉華大學(xué)（University of Delaware ，UD）的化學(xué)家焦鋒領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊在《自然通訊》（Nature Communication）報道，納米銀粒子制得的催化劑效果同樣不錯。今年，他們在ACS Catalysis上報道稱，由鋅枝晶制備的催化劑在生產(chǎn)CO方面也非常高效，而且鋅枝晶更便宜。
價格更低的催化劑仍在研發(fā)中。例如，上個月?lián)又荽髮W(xué)伯克利分校的研究人員報道，他們已經(jīng)用中心含鈷和銅的有機環(huán)狀化合物制備出高度多孔的晶體材料。當(dāng)這種多孔材料分層排布在電極表面，并浸沒在水溶液中時，它們每小時能將240000個CO2分子分解為CO——相比普通催化劑，這個速率實在是太瘋狂了。去年，卡南及同事們報道稱，銅納米晶體電極不需要經(jīng)過中間的合成氣過程，就能以前所未有的效率直接合成各種更復(fù)雜的液體燃料，如乙醇和乙酸。
世界各地的研究人員同時也在拓展另一個方向：直接從太陽光中獲取能量來驅(qū)動CO2和水的低溫電解。大多數(shù)工作都圍繞著通過光吸收半導(dǎo)體（如二氧化鈦納米管）生產(chǎn)CO、甲烷或者其他烴類來展開。目前為止，這些方法的效率還是太差，通常只能將不到1%的入射太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)鍵能。博卡爾斯利與同事們做得更好一些，他們使用的是只占光譜極少部分的紫外光。上月在波士頓舉行的美國化學(xué)學(xué)會會議上，特拉華大學(xué)的化學(xué)家喬爾·羅森塔爾（Joel Rosenthal）報道稱，他的團(tuán)隊已經(jīng)研發(fā)出一種基于鉍的光催化劑，可將6.1%的入射可見光能轉(zhuǎn)化為CO中的化學(xué)鍵能。
盡管這些方面都有所進(jìn)展，卡南告誡說，要想與液體化石燃料競爭，太陽能燃料仍有很長的路要走，尤其是現(xiàn)在石油價格已跌破每桶50美元。除非全球范圍內(nèi)共同努力限制碳排放，單就價格而言，太陽能燃料可能永遠(yuǎn)無法替代石油衍生燃料?！斑@太難了?！彼硎?。
伊利諾伊大學(xué)香檳分校的太陽能燃料研究人員保羅·凱尼斯（Paul Kenis）認(rèn)為，風(fēng)能與太陽能的擴張給我們帶來了希望。比如，丹麥30%的電力來自風(fēng)力發(fā)電場，在2020年有望達(dá)到50%。在七月的狂風(fēng)大作的某天，這個國家的風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的電力是全國電力需求量的140%，多余電量還被輸送到鄰國——德國、挪威、瑞典。
但是供能過剩引起了公用事業(yè)部門的擔(dān)憂，在可再生能源發(fā)電的高峰期，電力的價值可能降為零甚至負(fù)數(shù)，因為電廠需要倒貼錢讓別人來買走多余的電，不然其輸電網(wǎng)絡(luò)會受到損害。
凱尼斯說，這就是太陽能燃料生產(chǎn)商受益的地方：通過吸收多余的能量來生產(chǎn)燃料或其它產(chǎn)品，它們本質(zhì)上就成為了一種能源倉庫，或許還能借此賺點錢。目前而言，卡南認(rèn)為用過剩的可再生能源電力代替化石燃料并入輸電網(wǎng)絡(luò)仍然是最經(jīng)濟合理的方案?？傆幸惶?，等到可再生能源普及得夠廣了，再加上相應(yīng)技術(shù)的完善，我們就可以毫無顧忌地消耗燃?xì)饬?，因為我們?nèi)紵氖顷柟狻＃ㄗ模毫_伯特·F·瑟維斯（Robert F. Service） 翻譯：徐麗 審校：馬宏）
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