空氣變?nèi)剂?？這項(xiàng)技術(shù)可能掌握了能源密碼

出品：科普中國(guó)

制作：鶴仙

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

“惟江上之清風(fēng)，與山間之明月，耳得之而為聲，目遇之而成色，取之無(wú)盡，用之不竭。是造物者之無(wú)盡藏也”。說(shuō)出這句話(huà)的蘇軾前輩盡管很有洞察力，但他做夢(mèng)也想不到清風(fēng)不僅能為“無(wú)米炊”，還能做“萬(wàn)金油”。

前不久，中國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)從空氣中的二氧化碳到淀粉分子的全合成，為應(yīng)對(duì)糧食危機(jī)和氣候變化提供了一條很有前景的策略。

無(wú)獨(dú)有偶，近日瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（德文：Eidgen?ssische Technische Hochschule Zürich，簡(jiǎn)稱(chēng)ETH）的科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套利用陽(yáng)光和空氣直接生產(chǎn)液態(tài)烴或甲醇燃料的裝置，為吸收和利用二氧化碳提供了又一條光明道路。

這項(xiàng)成果目前已發(fā)表在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature上。據(jù)報(bào)道這種裝置在日常條件下運(yùn)行，能在一天7小時(shí)的工作時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)32毫升甲醇。聽(tīng)起來(lái)是不是很神奇呢，接下來(lái)就讓我們一探究竟吧。

圖片來(lái)源：Nature

從空氣到燃料的奧秘：

位于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器實(shí)驗(yàn)室大樓樓頂?shù)倪@套金光閃閃的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，就是今天故事的主角。看外表顏值不凡，簡(jiǎn)約大氣，還打著一把太陽(yáng)傘，很有格調(diào)的樣子。它的內(nèi)心是否像表面這么精簡(jiǎn)呢？看起來(lái)并不是，而是有點(diǎn)復(fù)雜。

實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程圖（圖片來(lái)源：Nature）

但大道至簡(jiǎn)，真理往往是簡(jiǎn)單的。為了讓大家更清晰快速地了解其工作原理，這里提供一張?jiān)撗b置生產(chǎn)空氣燃料的簡(jiǎn)易流程圖供參考：

圖片來(lái)源：作者自制

我們都知道，自然界有一條重要的定律，那就是質(zhì)量守恒。物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中原子種類(lèi)不變，數(shù)目不增不減，只是發(fā)生重新結(jié)合，從一種連接方式轉(zhuǎn)化為另外一種連接方式，就像一個(gè)班級(jí)調(diào)換座位后重新劃分小組一樣，打亂又重組，但班里的人沒(méi)有變。

如果我們想要得到甲醇或其他液態(tài)烴類(lèi)燃料，那么制備它們的原料也應(yīng)要含有同樣的元素，即——碳、氫、氧?？諝鈱儆诨旌衔铮锩婧械?dú)?，氧氣，稀有氣體，二氧化碳以及其他物質(zhì)。其中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)約為0.04%，水蒸氣和其他雜質(zhì)約占0.002%，含量較為可觀(guān)且含有想要的元素，這就為液體燃料的生產(chǎn)提供了可能。經(jīng)由空氣捕獲裝置收集和純化，便可以得到較為純凈的二氧化碳（純度98%）和水（污染物低于0.2ppm，ppm意為百萬(wàn)分之幾），那接下來(lái)的任務(wù)就是把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為燃料。

直接轉(zhuǎn)化比較困難，一種權(quán)宜之計(jì)就是先把它們制備成合成氣，即氫氣和一氧化碳，這是制備許多化工原料的原料氣。這套實(shí)驗(yàn)裝置采用的方法是利用太陽(yáng)能，驅(qū)動(dòng)二氧化碳和水蒸氣與三氧化二鈰發(fā)生氧化還原反應(yīng)，二氧化碳和水分別被還原為一氧化碳和氫氣，而三氧化二鈰被氧化為二氧化鈰。氧化產(chǎn)物二氧化鈰還可以通過(guò)吸熱熱還原為氧氣和三氧化二鈰，便于再次循環(huán)利用。合成氣一氧化碳和氫氣接下來(lái)會(huì)進(jìn)入反應(yīng)設(shè)備生成目的產(chǎn)物液態(tài)烴或甲醇，也就是空氣燃料。

實(shí)際運(yùn)行的效果：

這一條以空氣為原料制備液態(tài)燃料的路線(xiàn)聽(tīng)起來(lái)合理，那實(shí)際是否行得通呢？首先我們看下產(chǎn)量。研究人員發(fā)現(xiàn)，該裝置在正常工作條件下一天運(yùn)行7小時(shí)，通過(guò)連續(xù)的17次氧化還原循環(huán)，共獲得 96.2 升的合成氣，這些合成氣可在裝置中進(jìn)一步加工成甲醇。

裝置測(cè)得的合成氣單程摩爾轉(zhuǎn)化率為 27%，產(chǎn)生的甲醇純度為 65%。

剩余的未轉(zhuǎn)化的合成氣經(jīng)過(guò)6次循環(huán)轉(zhuǎn)化后，最終總摩爾轉(zhuǎn)化率為 85%。一天運(yùn)行7小時(shí)，得到的純甲醇量為 32 毫升，這個(gè)產(chǎn)量的燃燒熱和一盞功率為9瓦的日光燈照明15小時(shí)消耗的電量差不多。當(dāng)然這種設(shè)備并不是只能生產(chǎn)甲醇，通過(guò)選擇具體的合成工藝，也可以定制其他烴類(lèi)燃料。

研究者設(shè)想，如果該項(xiàng)成果投入商業(yè)應(yīng)用，將會(huì)創(chuàng)造巨大的收益。例如，商業(yè)規(guī)模的太陽(yáng)能燃料工廠(chǎng)可以使用10個(gè)定日鏡場(chǎng)，假設(shè)每個(gè)定日鏡場(chǎng)收集100兆瓦的太陽(yáng)輻射熱能，系統(tǒng)的總體效率η為10%，那么每天就可以生產(chǎn)95000升煤油，足夠?yàn)橐患茌d有325名乘客的空中客車(chē)A350提供從倫敦到紐約往返的燃料。

圖片來(lái)源：科普中國(guó)

那么這些燃料的質(zhì)量如何呢？我們和常規(guī)的航空燃料對(duì)比一下。目前生產(chǎn)航空煤油的常規(guī)方式是重油加氫裂化，產(chǎn)物中不可避免會(huì)帶有空氣污染物，比如含硫化合物，含氮化合物，稠環(huán)芳烴，重金屬等。而燃燒測(cè)試表明，通過(guò)該太陽(yáng)能氧化還原裝置生產(chǎn)出來(lái)的噴氣燃料有害物質(zhì)排放則顯著減少，這是一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。另外，石油屬于不可再生能源，而空氣可以源源不斷地獲取，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看也更有前景。

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折騰一圈的意義：

故事并沒(méi)有終結(jié)。在這個(gè)太陽(yáng)能氧化還原裝置里，二氧化碳和水在太陽(yáng)能的作用下轉(zhuǎn)化為液體燃料，而當(dāng)液體燃料投入使用后又會(huì)生成二氧化碳和水。從物質(zhì)的角度考慮，碳排放和消耗相等，所以研究者稱(chēng)其為“碳中和的里程碑”。從能量的角度考慮，在燃料制備過(guò)程中能量大多來(lái)自于太陽(yáng)能，而后續(xù)燃料燃燒又可以根據(jù)需要轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，因此相當(dāng)于間接利用清潔能源。

圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)

此外，研究者算了一筆賬，基于當(dāng)前太陽(yáng)能燃料系統(tǒng)的工作性能，空氣捕獲裝置捕獲量達(dá) 100000 噸二氧化碳/年時(shí)，大約需要4500平方米的占地面積。假設(shè)系統(tǒng)的總體效率η為10%，那么這樣一個(gè)太陽(yáng)能燃料工廠(chǎng)每年將生產(chǎn)約3400萬(wàn)升燃料。相比之下，2019 年全球航空煤油消耗量為 4140 億升，若要完全滿(mǎn)足全球需求，所有太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)的總占地面積約為45000平方公里，僅相當(dāng)于撒哈拉沙漠面積的0.5%。

圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)

這樣看來(lái)，太陽(yáng)能燃料系統(tǒng)原料易得，環(huán)境友好，占地面積小，似乎很容易推廣，但實(shí)際卻面臨著挑戰(zhàn)。太陽(yáng)能熱化學(xué)燃料的初始投資成本很高，每升常規(guī)噴氣燃料的成本通常不超過(guò)1美元，而每升太陽(yáng)能?chē)姎馊剂系某杀境^(guò)了10美元，所以在短期內(nèi)并不占優(yōu)勢(shì)。

鑒于此，研究者有兩點(diǎn)考慮，一是呼吁政策支持，為第一代商用太陽(yáng)能燃料發(fā)電工廠(chǎng)創(chuàng)造一個(gè)短期市場(chǎng)，邁出這一步十分關(guān)鍵；二是自我提升，通過(guò)規(guī)模效應(yīng)和流程優(yōu)化，關(guān)鍵部件的大規(guī)模生產(chǎn)和精益求精來(lái)降低成本，從而提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

脫碳是一個(gè)長(zhǎng)期的主題，這不是某個(gè)地區(qū)或群體要思考的事情，而是整個(gè)人類(lèi)共同面臨的問(wèn)題。從質(zhì)量守恒的角度來(lái)看，碳雖然不會(huì)消失，但可以轉(zhuǎn)化為一種更有益的存在形式。到目前為止，我們還不知道二氧化碳究竟蘊(yùn)藏著多大的轉(zhuǎn)化潛力，存在多少種可能的用途。這一切取決于人類(lèi)的想象力，這是創(chuàng)新和改變的源泉。

參考文獻(xiàn)：

Sch?ppi, R., Rutz, D., D?hler, F. et al. Drop-in Fuels from Sunlight and Air. Nature (2021).