黄震院士：车用可再生合成燃料技术是极具潜力的变革性技术
黄震，浙江宁波人，车用能源与动力系统专家，中国工程院院士。现任上海交通大学讲席教授，教育部动力机械与工程重点实验室主任。主要研究方向为车用能源、燃料设计与发动机燃烧。
自19世纪奥托发明汽油机、狄塞尔发明柴油机以来，化石燃料作为汽车的能源为人类社会和经济的发展做出了巨大贡献，但如今世界正面临由化石燃料带来的气候变化等挑战。
美国国家海洋和大气管理局观测显示，2019年5月大气层中的CO2浓度达到了415.26 mg/L，这是人类有史以来的最高值，CO2浓度的增加对环境造成了一系列显著的负面影响，导致全球变暖，进而引起两极冰川融化、海平面上升、海洋风暴增多、土地干旱、沙漠化面积增大等。
目前全球约有16亿辆汽车，每天对消耗液体燃料超过110亿L。
随着中国经济的快速发展，汽车年产量和销量从原来不足100万辆持续增长到近年来的2800多万辆，连续多年位居世界第一，中国汽车保有量已超2.6亿台。
汽车是石油消耗的第一大户，但中国石油资源有限，国外进口量长期保持高位，2019年原油对外依存度高达71%，在复杂多变的国际局势下，石油供给风险加大，能源安全结构性矛盾突出。
作为世界上最大的汽车产销国和CO2排放国，中国正面临自身发展需求与国际温室气体减排压力的双重挑战。
在过去的几十年中为满足污染物排放法规和温室气体减排要求，汽车发动机技术飞速发展，正变得更清洁、更高效。
已将汽车发动机污染排放水平降低到原来的1/1000左右，汽车正从超低排放、极超低排放车，走向零水平排放车；同时车用发动机热效率快速提高，柴油机和汽油机最高热效率已分别接近55%和45%。
虽然近年来电动汽车快速发展，但目前其保有量不足全国汽车总量的1.5％。
燃油发动机在未来相当长时间内将继续是汽车的主要动力，从中长期看，车用燃料碳中性、零碳化和可再生是国家能源安全和汽车可持续发展的必然要求。
2006年诺贝尔化学奖获得者乔治·奥拉在其专著《跨越油气时代：甲醇经济》介绍了“氢经济”及其局限性，提出了利用可再生能源将工业排放及自然界的CO2转化为碳中性醇醚燃料的前瞻观点。
近年来，通过可再生能源来转化CO2制备合成燃料技术引起了国际主要发达国家和地区的高度关注，美国能源部2009年建立46个能源前沿研究中心EFRC，其中支持了太阳能直接发电和转化为化学燃料研究；2010年美国能源部在加州建设“人工光合作用研究中心JCAP”集中攻坚（光）电催化水分解和CO2固定方向的基础性科学挑战，并在2020年继续推进太阳能驱动CO2还原至液体燃料的反应系统研究；欧盟启动Energy-X项目，以CO2为介质探究碳基能源的循环利用。
德国博世研究报告表明，欧洲将自2050年起全面使用基于可再生能源的合成燃料，可实现CO2减排28亿t（约等于德国CO2年排放量的3倍）；德国奥迪已宣布实施e-fuel再生燃料计划，使用碳中性燃料或可再生合成燃料，目标是减少内燃动力对化石燃料的依赖。
碳中性、可再生合成燃料是以太阳能、风能等可再生能源为主要能量供给，通过转化还原CO2，合成高能量密度的车用碳氢燃料或醇醚燃料，合成燃料能量密度高输运和加注方便，可利用加油站等基础设施，社会应用成本低，燃料在发动机中燃烧后排出的CO2再被捕集，可实现燃料合成-燃烧-碳排放-燃料合成的碳元素循环利用和碳中性。
要真正实现通过阳光、水、CO2制取可再生合成燃料，用于交通能源，成就人类可持续发展的伟大构想，亟待开展车用可再生合成燃料的基础理论和关键技术研究。
针对CO2还原转化产物，基于燃料与发动机相互作用及调控机制，设计适用于车用发动机的可再生合成燃料；从分子水平上建立催化剂构效关系，实现高效CO2还原催化剂体系的设计与功能化定制；进而构建高能效的CO2还原合成燃料系统，实现CO2到液体燃料分子的选择性精准转化和可再生燃料的合成与实用化。
可再生合成燃料技术可实现“源-储-荷”离线可再生能源利用，同时解决了弃风、弃光等新能源发展难题，有望实现车用燃料取之不尽用之不竭，独立于化石能源，大幅减少温室气体排放，是一项极具潜力的变革性技术，将为国家能源战略转型与汽车可持续发展提供全新的解决方案。
本文发表于《科技导报》2021年第21期，原文标题为《面向未来的车用碳中性、可再生合成燃料》，欢迎订阅查看。白名单回复后台「转载」
☟精彩内容回顾后疫情时代儿童青少年的心理健康不容忽视产氧光合作用如何起源？国际合作团队提出新理论面向碳中和，推动核电向“多样化、综合性”模式转变碳中和愿景下金属矿产行业的挑战与机遇“虚拟国家实验室”的启示：发挥市场主体作用，以需求倒逼前端技术创新《科技导报》创刊于1980年，中国科协学术会刊，主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的成果报道、权威性的科学评论、引领性的高端综述，发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、智库观点、科技评论、热点专题、综述、论文、学术聚焦、科学人文等。
《科技导报》微信公众平台创建于2014年，主要刊登《科技导报》期刊内容要点，报道热点科技问题、科技事件、科学人物，打造与纸刊紧密联系又特色鲜明的新媒体平台。科技导报公众号聚集了数万名专心学术的未来之星和学术大咖，添加编辑微信，让优秀的你有机会与志趣相同的人相遇。