出品：科普中國

制作：鶴仙

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(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，取之無盡，用之不竭。是造物者之無盡藏也”。說出這句話的蘇軾前輩盡管很有洞察力，但他做夢也想不到清風(fēng)不僅能為“無米炊”，還能做“萬金油”。

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

無獨有偶，近日瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（德文：Eidgen?ssische Technische Hochschule Zürich，簡稱ETH）的科研團(tuán)隊設(shè)計了一套利用陽光和空氣直接生產(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。

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

圖片來源：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)器實驗室大樓樓頂?shù)倪@套金光閃閃的實驗設(shè)備，就是今天故事的主角。看外表顏值不凡，簡約大氣，還打著一把太陽傘，很有格調(diào)的樣子。它的內(nèi)心是否像表面這么精簡呢？看起來并不是，而是有點復(fù)雜。

實驗裝置工藝流程圖（圖片來源：Nature）

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

圖片來源：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)過程中原子種類不變，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，就像一個班級調(diào)換座位后重新劃分小組一樣，打亂又重組，但班里的人沒有變。

如果我們想要得到甲醇或其他液態(tài)烴類燃料，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?，里面含有氮氣，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意為百萬分之幾），那接下來的任務(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。這套實驗裝置采用的方法是利用太陽能，驅(qū)動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會進(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)燃料的路線聽起來合理，那實際是否行得通呢？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，通過連續(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，得到的純甲醇量為 32 毫升，這個產(chǎn)量的燃燒熱和一盞功率為9瓦的日光燈照明15小時消耗的電量差不多。當(dāng)然這種設(shè)備并不是只能生產(chǎn)甲醇，通過選擇具體的合成工藝，也可以定制其他烴類燃料。

研究者設(shè)想，如果該項成果投入商業(yè)應(yīng)用，將會創(chuàng)造巨大的收益。例如，商業(yè)規(guī)模的太陽能燃料工廠可以使用10個定日鏡場，假設(shè)每個定日鏡場收集100兆瓦的太陽輻射熱能，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，足夠為一架載有325名乘客的空中客車A350提供從倫敦到紐約往返的燃料。

圖片來源：科普中國

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。而燃燒測試表明，通過該太陽能氧化還原裝置生產(chǎn)出來的噴氣燃料有害物質(zhì)排放則顯著減少，這是一個獨特的優(yōu)勢。另外，石油屬于不可再生能源，而空氣可以源源不斷地獲取，從長遠(yuǎn)來看也更有前景。

圖片來源：whbyhsh.com

折騰一圈的意義：

故事并沒有終結(jié)。在這個太陽能氧化還原裝置里，二氧化碳和水在太陽能的作用下轉(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，所以研究者稱其為“碳中和的里程碑”。從能量的角度考慮，在燃料制備過程中能量大多來自于太陽能，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。

圖片來源：veer圖庫

此外，研究者算了一筆賬，基于當(dāng)前太陽能燃料系統(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，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%，那么這樣一個太陽能燃料工廠每年將生產(chǎn)約3400萬升燃料。相比之下，2019 年全球航空煤油消耗量為 4140 億升，若要完全滿足全球需求，所有太陽能發(fā)電廠的總占地面積約為45000平方公里，僅相當(dāng)于撒哈拉沙漠面積的0.5%。

圖片來源：veer圖庫

這樣看來，太陽能燃料系統(tǒng)原料易得，環(huán)境友好，占地面積小，似乎很容易推廣，但實際卻面臨著挑戰(zhàn)。太陽能熱化學(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1美元，而每升太陽能噴氣燃料的成本超過了10美元，所以在短期內(nèi)并不占優(yōu)勢。

鑒于此，研究者有兩點考慮，一是呼吁政策支持，為第一代商用太陽能燃料發(fā)電工廠創(chuàng)造一個短期市場，邁出這一步十分關(guān)鍵；二是自我提升，通過規(guī)模效應(yīng)和流程優(yōu)化，關(guān)鍵部件的大規(guī)模生產(chǎn)和精益求精來降低成本，從而提升市場競爭力。

脫碳是一個長期的主題，這不是某個地區(qū)或群體要思考的事情，而是整個人類共同面臨的問題。從質(zhì)量守恒的角度來看，碳雖然不會消失，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).