为什么不将空气中那么多的二氧化碳转化为燃料？

化学加 2021-06-12

The following article is from 世界科学 Author 邱瑜/编译

来源|世界科学编辑|化学加

导读

未来或许我们可以把大气中大量的二氧化碳转化为燃料，从而摆脱当下对化石燃料的依赖。一些科学家已经在为此努力。

斯图尔特•利希特(Stuart Licht)发明了一台终极回收机，在位于华盛顿的乔治华盛顿大学的实验室里，他和同事们创建了太阳能反应堆，利用太阳能将大气中的二氧化碳——化石燃料燃烧的副产品转化为燃料。这中间包含了几个步骤。水也参与该反应，产生氢气和一氧化碳；这些反应物依次产生液态烃燃料。利希特的回收机是同类中最为高效的设备。
这只是世界上产生于实验室的太阳能燃料技术中的一种。这实现了一个梦想，代表了未来有一天我们可以绕开化石燃料，利用阳光、水和空气来生产我们的交通运输燃料，并且在这个过程中，可以消除大气中的部分二氧化碳，而这是我们所依赖的化石燃料在燃烧时会大量产生的气体。
但是这些方案并不会对石油工业造成威胁。在利希特的设备中，反应堆的部分零件需要在接近1000°C的高温环境中才能运作，这个温度太高了，需要专门的材料来支持这些部件的运作。其他科学家在寻求另一种替代方法，开发催化剂，在接近室温的情况下能发生相同的化学反应，使用太阳能电力或其他可再生能源来推动该化学结合反应过程。
该方案更大的挑战在于成本问题。目前石油很便宜，所以人们缺乏动机去接受先进而又昂贵的替代品。然而，气候不断变化，这种理念又非常前沿，已经吸引了全球科学家追求太阳能燃料。“这是目前的研究热点”，加州大学伯克利分校的化学家奥马尔•亚吉(Omar Yaghi)说道。而利希特的反应堆也表明了这项研究正取得进展。“我们还没有成功，但正朝着正确的方向前进，”普林斯顿大学的化学家安德鲁•博卡尔斯里(Andrew Bocarsly)说道，而他正在开发低温催化剂。
太阳能燃料的热衷者甚至还看到降低该技术成本的一丝希望：可再生电源，如风电场和太阳能发电厂等的持续扩张。而风车和太阳能电池有时候能生产超出当地居民用电的电量。如果这些剩余电量能够储存在化学燃料中，专家们认为公共管理部门应能够随时随地节约使用电能——并在另一方面获取利润。
即使我们十分担忧气候变化，但对于液态燃料的需求也不可能因此消失。由于具备高能源密度和汽油与其他液态烃运输的便捷性等特点，液态燃料一直是世界运输基础设施的中流砥柱。科学家致力于充分利用低碳燃气，如甲烷和氢气等，使之成为运输燃料，而电力汽车也在大量生产。但是长途卡车和其他重型交通工具，如航空飞机等都没有比液态燃料更好的替代品。太阳能燃料支持者则认为应该想出一种方法利用现有的化合物，如水和二氧化碳等来生产液态燃料，这样未来会大大地削弱二氧化碳的排放量。
这项任务本质上归结为燃烧逆向反应，将太阳能或其他可再生能源的能量注入化学键。“这是个极具挑战的难题，因为一直在逆水行舟。”宾夕法尼亚州的匹兹堡大学的化学家约翰•凯斯(John Keith)说道。如同植物要合成生长所需要的糖分，但是植物只需要转化1%能量为化学能。为了供应工业社会发展所需要的电源，科学家需要做得更好，凯斯把这个挑战比作将人送上月球。
问题是二氧化碳是非常稳定难反应的化学分子，化学家曾利用电力、高温或两者同时来迫使其发生反应。该过程的第一步就是去掉二氧化碳中的氧原子生成一氧化碳，一氧化碳可以和氢气反应结合成为合成气，而合成气可以转化为甲醇，这是一种可直接使用或转化为其他有价值的化学物质和燃料的液态酒精。大量的化工厂正在生产合成气，但是利用的不是空气而是大量便宜的天然气。所以化学家的挑战在于利用可再生能源生产合成气，而这比目前所有能源的成本都低。

位于冰岛的地热能发电厂将二氧化碳转化为合成气和完全甲烷燃料
利希特将其太阳能合成的一氧化碳和氢气的混合物称为“太阳气”，他正致力于攻克关于如何利用太阳的热量和能源的难题。他在《高等科学》(Advanced Science)中发表的论文中详细说明了他的计划，开头介绍了一种高端商业太阳能电池——集中光电电池，集中大范围的阳光到半导体仪表板上，将38%的太阳能转化为高压电，并分流至两个电化电池的电极中，其中一个电池分解水分子，而另一个负责分解二氧化碳。同时，大部分剩余的太阳能以热能的形势储存起来，用于预热两个电池至几百度，该步骤可减少约25%的分裂水和二氧化碳分子所需要的电力。最后，利希特说道，吸收的太阳能中最高有50%可以转化为化学键能。
该反应过程制造合成气的成本是否和提取天然气一样，仍然是一个谜团。但是利希特注意到，2002年他开始提出太阳能水分解计划，而2010年仅关于这一项的经济分析报告就推断他的方法可以制造1千克的氢气，相当于4升汽油所产生的能量——成本为2.61美元。
然而利希特要进一步降低太阳气成本，还是十分困难。利希特在充电电解液中使用锂，而这种金属十分稀有而昂贵，锂的供应有限就限制了该计划大规模推广实施。利希特还面临挑战，其他科学家使用高温来促进水和二氧化碳分解，但完全依靠电力而不是太阳能。但是如同太阳气计划，这些被称为固体氧化物电解池的方案都面临着高温运作会缩短电解池寿命的难题。
在考虑了这些困难后，博卡尔斯里和其他科学家继续尝试低温分解二氧化碳。其中一个方法已经投入运营。冰岛的碳循环国际公司在2012年设立了一个工厂，利用可再生能源来制造合成气。该公司利用冰岛丰富的地热能来发电，驱动电解设备来分解二氧化碳和水，由此产生的合成气接着用来生产甲醇。
当然，全球大部分地区都没有像冰岛具备如此丰富的地热能来驱动该反应过程。因此科学家正致力于寻找新的催化剂，利用较少能量来分解二氧化碳。这些催化剂一般作用于含水电解池的阴极。在电解池的阳极中，水分子分解为电子、质子和氧气，而氧气会变成气泡扩散到空气中，电子和质子则聚集到阴极。当阴极的二氧化碳分子分解为一氧化碳和氧原子时，氧原子就会和电子与质子结合到一起，产生更多的水分子。
20世纪80年代，日本科学家发现在所有的低温计划中，金制的电极分解二氧化碳的活性最强。2012年，斯坦福大学(Stanford University)的科学家马修• 卡纳安(Matthew Kanan)及其同事发现了更好的物质，也就是使用一层薄薄的分解为纳米微晶体的金来制造电极。他们在《美国化学学会学报》上发表了该研究发现，可削减超过50%的电力需求，并增强催化剂的活性达10倍。金的微晶体之间的界线似乎促进该反应的进行。
黄金每千克36000美元，这个成本对于大范围推广使用还是太高了。然而，2014年，特拉华大学化学家焦峰(Feng Jiao)带领下的科学团队在《自然通讯》杂志上发表了论文，说明银纳米颗粒可以发挥近乎一致的催化作用。2015年，他们在《美国化学学会催化》上报道发现了更便宜的由锌枝晶制造的催化剂，在大量分解二氧化碳方面卓有成效。
研究过程中还发现了更便宜的催化剂，例如加州大学伯克利分校的科学家上个月报道了他们利用一种中央是钴和铜原子的环状有机化合物来研发出高度多孔的晶体材料。当放置于电极上方并沉入电解液中，该多孔材料就会以每小时24万个的速度分解二氧化碳，比所有室温催化剂的活性都高。2014年，卡纳安的团队就报道了铜纳米晶体制造的电极可绕开合成气，直接合成多种如乙醇和乙酸盐等复合液态燃料，效率空前之高。
全世界的科学家都在追求另一种高效方法，直接利用太阳能低温电解二氧化碳和水。所有的努力都集中在使用吸收光的半导体组件，如以二氧化钛为基础的纳米管来大量产出一氧化碳、甲烷或其他碳氢化合物。目前为止这些方案都成效甚微，尤其是只能将低于1％的太阳能转化为化学键。博卡尔斯里等科学家则利用太阳光线中十分细微的紫外线，这样成效更高。但上个月在波斯顿举办的美国化学学会会议上，特拉华大学的化学家乔尔•罗森塔尔(Joel Rosenthal)则报告其团队研制了一种铋系光催化剂，可将6.1％的可见光能量转换为一氧化碳中的化学键能。
尽管这些前沿研究都取得了进展，卡纳安仍然提醒大家注意，太阳能燃料要直接与液态化石燃料竞争，依然任重而道远，尤其是目前的石油价格已经低于每桶50美元。除非全世界的政府协定推动限制或对碳排放征税，光是成本这一项，太阳能燃料可能无法打败以石油为主体的燃料。“任务十分艰巨，”他说道。
但是伊利诺大学香槟分校的太阳能燃料科学家保罗•肯尼斯(Paul Kenis)则认为广泛的太阳能和风能资源依然带来了希望。例如，丹麦已经利用风电厂生产30％的电力，并预计在2020年实现50％的发电量。在2015年7月狂风大作的一天，该国的风力发电机的发电量是全国电力需求的140％，剩余的电力还输送到德国、挪威和瑞典等邻国。但是电力过剩还是让公共部门十分担心，在可再生能源发电高峰时，电力价格可能下降为零甚至更低，因为发电厂还得支付费用保护输电网不受破坏。
这就是太阳能燃料生产商能够创收的部分，肯尼斯说道，通过吸收太阳能并用来生产燃料和其他消费品，他们可以扮演能量银行的角色，并可能赚更多的钱。目前，卡纳安认为将过剩的可再生能源分流至电网，从而取代化石能源是最为经济的方法。但是，有一天当可再生能源得以普遍使用，而可再生燃料技术也得到了改善，我们也许就可以毫无罪恶感地使用汽油，因为我们燃烧的是太阳!