温室气体转化成燃料成可再生能源研究热点

在地热能的驱动下，冰岛工厂可以将二氧化碳转化为合成气(一氧化碳和氢气的混合物)，最终转化为甲醇燃料。

图片来源:国际碳回收公司

斯图尔特·李希特设计了最后一台自行车。他和他的同事在美国华盛顿大学实验室建造的太阳能反应堆可以利用阳光将空气中的二氧化碳(化石能源氧化的副产品)再次转化为燃料。这个过程有几个步骤:在这个反应过程中需要水，水可以分解成氢气和一氧化碳；分解产物然后可以与液态烃燃料混合。可以说Licht是目前世界上最有效的转换设备。

事实上，李希特的方法只是世界各地实验室利用太阳能技术转化二氧化碳的一个例子。这些技术代表了一个梦想:有一天，我们可以绕过化石能源，利用阳光、空气和水来生产运输燃料，因此，在这个过程中，我们可以消除人类因依赖化石能源而排放到空气中的二氧化碳。

目前，这些技术尚未对石油工业构成威胁。在Licht的设计中，一些反应器的温度高达1000℃，这就需要特殊的材料来容纳相关的部件。其他研究人员也在探索各种选择，以开发能够利用阳光或其他可再生能源驱动并进行相同化学反应的催化剂，或者能够在室温下进行化学反应的催化剂。

障碍之一是经济。目前，油价仍然不高，因此很难有动机采取其他高端和昂贵的选择。但是巨大的气候变化及其相关影响吸引了世界各地的研究人员去探索太阳能。"这是一个非常热门的领域。"加州大学伯克利分校的化学家奥马尔·亚吉说。正如利希特反应堆所证实的，相关研究正在不断推进。“我们还没有到达那里，但我们正朝着正确的方向前进。”普林斯顿大学研究低温催化剂的化学家安德鲁·博卡斯利说。

热情的研究人员甚至看到了使这项技术更加经济实用的一线曙光:风能和太阳能等可再生能源的稳步发展。现在，风力涡轮机叶片和太阳能电池已经可以提供比它们在某些地区使用的更多的电力。如果这种多余的能量可以作为化学燃料储存，专家说，也许设备供应商可以随时随地节约能源，从而带来额外的好处。

技术和经济挑战

尽管担心气候变化，对液体燃料的需求不太可能停止。石油和其他液态碳氢化合物的高能量密度和易运输性使它们成为全球运输基础设施的主要依赖。研究人员不断探索使用低碳气体，如甲烷和氢气作为运输燃料，导致电动汽车的显著增加。然而，对于长途货车、其他重型车辆和航空业来说，没有比液体燃料更好的选择了。太阳能的支持者说，应该找到一种方法，利用可用的化合物(如水和二氧化碳)来酿造液体燃料，从而大大减少二氧化碳的排放。

这个目标可以归因于逆向氧化反应，即从太阳或其他可再生能源获得能量，然后将其转化为化合物。"这是一个非常具有挑战性的问题，也是一场艰难的战斗。"宾夕法尼亚匹兹堡大学的化学家约翰·基思说。可以说，这就像植物生长需要生产糖一样，但植物只能将大约1%的能量转化为化学能。为了推动工业发展，研究人员必须做更多的事情。基思将这一挑战比作人类登月计划。

问题是二氧化碳是一种非常稳定的分子，很难产生化学反应。化学家可以通过电或热迫使它们反应。其中，第一步通常是剥离二氧化碳分子中的一个氧原子，形成一氧化碳。然后，一氧化碳可以与氢气混合形成含有一氧化碳和氢气的混合气体，该混合气体可以转化为甲醇，一种可以直接使用或转化为有价值的化学品和燃料的液体醇。大型化工厂可以进行这一过程，但他们不从空气中生产混合气体，而是使用大量廉价的天然气来合成气体。因此，化学家面临的挑战是从可再生能源合成混合气体，这种能源比目前的能源便宜。

从实验室到应用

李希特称他的从太阳能产生一氧化碳和氢气混合物的装置为“太阳能气体”，并说他的目标是通过利用太阳的热和电来挑战这一障碍。在《高级科学》杂志上发表的一篇文章中，他详细介绍了设计的装置。该设备使用一种被称为聚光光伏太阳能发电技术的尖端太阳能电池，它可以将大量太阳能集中在一个半导体面板上，然后将38%的输入能量转化为高压电能。这种电能然后被分成两个电化学电池的电极:一组能量用于分解水分子，另一组用于分解二氧化碳。与此同时，电池中收集的其他剩余太阳能被用作热能来源，将两个电池预热到1000摄氏度。该步骤可以将分解水和二氧化碳分子所需的电能减少大约25%。李希特说，最终大约50%的太阳能可以转化为化学物质。

目前，尚不清楚通过该工艺合成混合气体的成本是否与使用天然气混合气体的成本一样低。但李奇特强调，2010年对他的太阳能水分子分裂设施进行的单独成本分析显示，成本为2.61美元的一公斤氢，相当于4升汽油，可以被分解。

考虑到成本，博卡斯利和其他科学家正试图在更低的温度下继续分解二氧化碳。其中一种方法已经商业化。在冰岛，一家名为国际碳回收的公司于2012年开设了一家工厂，从可再生能源中合成混合气体。该公司利用冰岛丰富的地热能发电，然后用来驱动分解二氧化碳和水的电解机器。生成的合成气然后转化为甲醇。

一切皆有可能。

当然，世界上许多地方没有冰岛那样多的地热能来推动这一过程。因此，研究人员正在寻找能以更少的能量分解二氧化碳的新催化剂。这些催化剂通常位于负电极(即电化学电池的两个电极的含水侧)。在相反的电极上，水分子被分解成电子、质子和氧气，这些物质在形成泡沫后融合到空气中。电子和质子被转移到负电子上，在负电子上，二氧化碳分子被分解成一氧化碳和氧原子，它们结合起来形成更多的水。

目前，这种催化剂的最佳标准是“金”。20世纪80年代，日本科学家发现由黄金制成的电极在低温设备中将二氧化碳分解成一氧化碳的效率最高。2012年，斯坦福大学化学家马修·卡南(Matthew Kanan)和他的同事发现了一种更好的材料:一薄层金被转化成纳米大小的晶体，然后用来制作电极。发表在《美国化学学会杂志》上的研究结果表明，这种材料可以减少50%以上的所需电量，并将催化剂的活性提高10倍。

然而，每公斤黄金的价格是36000美元，这对于大规模使用来说太贵了。去年，特拉华大学化学家凤娇在他发表在《自然通讯》上的研究中说，由银纳米粒子制成的催化剂同样有效。今年，在发表在《美国化学学会催化》杂志上的研究结果中，他们介绍了一种更便宜、更有效的分解一氧化碳的催化剂:由小锌钉制成的树枝状晶体。

目前，世界各地的研究人员仍在探索其他“丰富的矿物”:太阳能被用来直接驱动二氧化碳和水的低温电解。许多研究都集中在吸光半导体上，例如利用钛基二氧化碳纳米管分解一氧化碳、甲烷和其他碳氢化合物。迄今为止，类似设备的效率仍然不够高。大多数时候，他们只能将不到1%的太阳能转化为化合物。博卡斯利和一些人利用太阳紫外线取得了更好的结果。但在今年8月波士顿举行的美国化学学会会议上，特拉华大学化学家乔尔·罗森塔尔(Joel Rosenthal)报告说，他和他的同事开发了一种铋基光催化剂，可以将收集到的6.1%的太阳能转化为化合物。

尽管这些尖端技术在不断进步，但卡南警告说，要想让太阳能燃料和液体化石燃料跟上步伐，还有很长的路要走，尤其是现在一桶石油的价格已经跌至50美元以下。这使得世界各国*无法形成一个共同努力来设定二氧化碳排放上限或征收碳排放税，因此如果只从价格角度考虑，太阳能可能永远无法击败化石能源。"这是一项艰巨的任务。"卡南说。

然而，卡南说，有一天，如果可再生能源的应用足够广泛，并且制造可再生燃料的技术得到改进，那么人们也许能够毫无内疚地大量消耗能源，因为人们知道他们只是在燃烧太阳能。(红枫)

《中国科学报》(2015-09-24，第三版国际版)

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