光伏黑科技：將二氧化碳點石成金

StuartLicht設計了最終循環(huán)機。他和同事在美國華盛頓大學實驗室建造的這個太陽能反應堆，可以借用太陽光把空氣中的二氧化碳——化石能源氧化后的副產物——再一次轉化成燃料。這中間有幾個步驟：這一反應過程中需要用到水，水可以分解成氫氣和一氧化碳;然后分解物可以與液態(tài)烴燃料相混合?？梢哉f，Licht的裝置是全世界到目前為止最有效的轉化裝置。

事實上，Licht的方法只是全球各個實驗室利用太陽能技術進行二氧化碳轉化的一個案例。這些技術代表了一個夢想：有一天，能夠繞開化石能源，從太陽光、空氣和水中生成交通運輸所需的燃料，從而在此過程中，擺脫掉人類因為依賴化石能源而向空氣中排放的二氧化碳。

現(xiàn)在，這些技術尚未對石油行業(yè)形成威脅。在Licht的設計中，部分反應堆的溫度高達1000℃，這一高溫需要特殊材料盛放相關構件。其他的研究人員也在探索各種備選方案，研發(fā)可以利用太陽光或是其他由可再生能源驅動的、進行相同化學反應的催化劑，或是可以在室溫條件下進行化學反應的催化劑。

其中的障礙之一是經濟性。當前，油價依然不高，因此很難有動力采用其他高端的、成本昂貴的選擇方案。但是勢不可擋的氣候變化及其相關效應已經吸引了全世界的研究人員探索太陽能燃料。“這是一個非常熱門的領域。”加州大學伯克利分校化學家OmarYaghi說。正如Licht的反應堆所證實的那樣，相關研究在不斷向前推進。“我們還沒有到達那里，但是我們在向著正確的方向前進。”普林斯頓大學化學家、正在研究低溫催化劑的AndrewBocarsly說。

富有熱情的研究人員甚至已經看到了一線曙光，讓這種技術變得更加經濟實用：比如風電和太陽能等可再生能源的穩(wěn)定發(fā)展?，F(xiàn)在，風輪葉片和太陽能電池在一些地區(qū)已經可以提供超過使用量的電能。如果這些過剩的能量可以被儲存為化學燃料，專家稱，或許設備供應商就能夠在任何時候、任何地方節(jié)省能源，由此帶來額外收益。

技術與經濟挑戰(zhàn)

盡管存在氣候變化的擔憂，但是液態(tài)燃料的需求不可能謝幕。石油和其他液態(tài)烴的高能量密度和易于運輸?shù)奶匦?，使其成為全球交通運輸基礎設施的主要依靠。研究人員在不斷探索低碳氣體的使用，如把甲烷和氫氣作為運輸燃料，使電動汽車大幅增加。但是對于長距離運輸貨車和其他重型交通工具以及航空業(yè)來說，現(xiàn)在卻沒有比液體燃料更好的選擇了。支持太陽能的人稱，應該找到一種利用可獲取的化合物(如水和二氧化碳)釀造液體燃料，從而大幅降低二氧化碳排量的方法。

這一目標可以歸結為逆向的氧化反應，即從太陽或其他可再生能源中獲取能量，然后使其變?yōu)榛衔铩?ldquo;這是個極具挑戰(zhàn)性的問題，也是一場艱苦的戰(zhàn)役。”賓夕法尼亞州匹茲堡大學化學家JohnKeith說。可以說，這就像植物需要制造出生長所需的糖分那樣，但是植物僅把1%左右的能量轉化成化學能。為了驅動工業(yè)發(fā)展，研究人員要做的比這難得多。Keith把這種挑戰(zhàn)比喻成人類登月工程。

其問題在于，二氧化碳是一種非常穩(wěn)定的、很難產生化學反應的分子?；瘜W家可以通過電或熱等方式迫使其產生反應。其中，第一步通常是剝落二氧化碳分子的一個氧原子，形成一氧化碳。然后，一氧化碳可以和氫氣混合，形成含有一氧化碳和氫的混合氣體，該氣體可以被轉化成甲醇——一種可以直接使用或轉化成有價值的化學物質和燃料的液體酒精。大型化學工廠可以進行這一過程，但是它們并非是從空氣中制作混合氣體，而是利用大量廉價的天然氣合成該氣體。因此，化學家的挑戰(zhàn)是，從比當前能源價格更低廉的可再生能源中合成混合氣體。

從實驗室到應用

Licht把他的用太陽能生成一氧化碳和氫氣混合物的裝置叫作“太陽能燃氣”，并表示自己的目標是利用來自太陽的熱和電挑戰(zhàn)這一障礙。在發(fā)表于《尖端科學》期刊的文章中，他詳細介紹了所設計的裝置。該裝置利用一種叫作濃縮光伏太陽能發(fā)電技術的尖端太陽能電池，而電池可把大量太陽能集中到一個半導體板面上，然后把這些輸入能量的38%轉化成高伏特電能。這些電能隨后被分流至兩塊電化電池的電極：其中一組能量用來分解水分子，另一組用來分解二氧化碳。同時，電池中收集的其他剩余太陽能被用作熱能來源，用來將兩塊電池預熱至上千攝氏度，這一步驟可以減少分解水和二氧化碳分子所需的電能，大致可減少25%。Licht說，最終大約有50%的太陽能可以被轉化成化學物質。

目前，尚不清楚通過這一過程合成混合氣體的成本是否像用天然氣混合氣體一樣低。但是Licht強調，2010年對他的太陽能水分子分裂設施的單獨成本分析結果是，如果花費2.61美元成本，可以分解出1公斤的氫氣——這一能量相當于4升汽油。

考慮到其中的成本問題，Bocarsly和其他科學家試圖繼續(xù)在更低溫度的條件下分解二氧化碳。其中有一種方法已經實現(xiàn)了商業(yè)化應用。在冰島，一家叫作國際碳回收的公司在2012年開設了一家工廠，利用可再生能源合成混合氣體。該公司利用冰島豐富的地熱能發(fā)電，然后用來驅動分解二氧化碳和水的電解機器。生成的合成氣體隨后被轉化成甲醇。

一切皆有可能

當然，全球很多地區(qū)并不像冰島那樣擁有豐富的地熱能來驅動這一過程，為此，研究人員正在尋找能夠利用更少能量分解二氧化碳的新催化劑。這些催化劑通常位于負電極(即電化電池的兩個電極中含水的一邊)。在相反的電極，水分子被分解成電子、質子和氧氣，氧氣在變成泡沫后融合到空氣中。電子和質子會被傳送到負電子，在那里二氧化碳分子被分解成一氧化碳和氧原子，而氧原子和電子及質子合并后形成更多的水。

目前，這種催化劑的最佳標準是“金”。上世紀80年代，日本科學家發(fā)現(xiàn)，用金制成的電極在低溫裝置中把二氧化碳分解成一氧化碳的效率最高。在2012年，斯坦福大學化學家MatthewKanan和同事發(fā)現(xiàn)了一種更好的材料：把薄金層轉化成納米大小的晶體，然后用其制作電極。這篇發(fā)表于《美國化學學會期刊》的研究成果顯示，這種材料可以讓所需電量減少50%以上，并且讓催化劑的活性增強10倍。

然而，每公斤金的價格為3.6萬美元，大規(guī)模使用這種金屬過于昂貴。去年，特拉華大學化學家馮嬌(音譯)在發(fā)表于《自然—通訊》的研究成果中稱，利用銀納米顆粒制成的催化劑效果同樣明顯。今年，他們在發(fā)表于美國化學學會《催化作用》期刊的研究成果中，介紹了一種價格更加低廉、高效的分解一氧化碳催化劑：即利用小鋅釘制成的樹枝狀晶體。

當前全球范圍內的研究人員仍在探索其他的“富礦”：利用太陽能直接驅動二氧化碳和水低溫電解的方式。很多研究工作聚焦于吸光的半導體，例如利用鈦基二氧化碳納米管分解出一氧化碳、甲烷和其他碳氫化合物。到目前為止，類似的裝置效率仍不夠高;很多時候，它們僅能把不足1%的輸入太陽能轉化成化合物。Bocarsly和一些人曾利用太陽紫外線作出更好的結果。但是今年8月，在波士頓舉行的美國化學學會會議上，特拉華大學化學家JoelRosenthal報告稱，他和同事已經研究出一種鉍基光催化劑，可以使收集的6.1%的太陽能轉化成化合物。

盡管這些前沿技術在不斷推進，但是Kanan警示稱，太陽能燃料和液態(tài)化石燃料并駕齊驅仍有相當長的路要走，尤其是現(xiàn)在每桶油價格已下降至50美元以下。這阻礙了全球政府形成合力，對二氧化碳排量設置上限或是收取碳排放稅，因此如果單從價格上考慮，太陽能可能永遠不能擊敗化石能源。“這是一項難以完成的任務。”Kanan說。

盡管如此，Kanan表示，有一天，如果可再生能源的應用足夠廣泛，制造可再生燃料的技術也有所提高，那時人們或許才能沒有罪惡感地大量消耗能源，因為人們知道自己只是在燃燒太陽能。