【墨子沙龙】圆桌讨论 | 新材料&新能源：让世界更“绿色”的化学
嘉宾：杨培东、郑南峰、陈立桅
主持人：包信和
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提问：几位教授好，我是催化方向的研究生，我对刚才杨培东先生讲到的液态阳光非常感兴趣。我想问您合成的催化材料，它在地球甚至在火星上，如果想要大规模部署，是不是仍然存在壁垒？
杨培东：这个主要有两点，我们现在在高比表面半导体用的催化剂有两个。一个是生物催化剂，是一个全细胞的细菌，就是从自然界当中拿回来的细菌，这个是很容易培养的，在我们实验室，几十个一批小规模的在做，这个很容易，没有什么壁垒。另外一个半导体是我们实验室自己合成的一些金属催化剂，这部分从选择性上面，还需要进一步提高，跟生物催化剂还不能比，而且它到大规模的应用，可能距离稍微远一点，尤其是在二氧化碳转化上面。所以要大规模应用，应该是先从高比表面的半导体和生物催化剂的一个界面来开始，应该说完全可以做商业化的讨论。
包信和：我刚才也有一点没有听懂，你说从二氧化碳进入光的催化变成甲酸，光的效率有百分之八到九，这是什么意思？
杨培东：我们通常所说的效率是太阳能转化成化学能。因为一般来说，比如说太阳能电池，是从太阳能到电能的转化，基本上硅电池做到20%多。我们通常所说的人工光合作用的全反应，是二氧化碳、水、太阳能转化成化学品加上氧气，能量转化效率就是多少太阳能进去，有多少化学品出来，计算化学能，就可以计算转化效率。
包信和：这一点是肯定的（百分之）八到九？
杨培东：对，这一点不仅仅是我们实验室，哈佛的另外一个教授基本也能够做到。就是能够做二氧化碳到甲醇、天然气，能够做到八个百分点。好像哈佛的一个实验室，能够做二氧化碳转化成丙醇，能够达到8%-10%的样子。
包信和：这里面有牺牲剂吗？（注：牺牲剂，是通过自身损耗来减少其他化学剂损耗的廉价化学剂）
杨培东：我所说的完全是全反应，没有牺牲剂。因为的确很多实验室做半反应都会有牺牲剂，用牺牲剂的话基本不能计算转化效率。
包信和：这个颠覆了我的一些观点，我想8%-9%（的转化效率）应该有一些商业化的可能性。
杨培东：生物催化剂我们是在讨论商业化。
提问：请问杨院士，人类是否已经透彻了解了自然界中光合作用的生物机理？另外，光合作用过程中的叶绿素，对于我们基于半导体模拟光合作用有什么指导意义？
杨培东：我们在很多年前，一开始考虑要怎么设计人工光合作用体系时，完全是跟大自然学的。自然界中绿叶里的光合作用，在过去几十年当中已经摸的比较透彻。我刚才所说的光系统Ⅰ和Ⅱ的双光子吸收，加上两个氧化还原的半反应，什么样的活化中心，这里面都已经摸的很清楚。我们所做的就是学习绿叶植物光合作用，设计高比表面积的半导体，跟两类催化剂，这两类催化剂要到实验室里去摸索。所以应该说，我们现在正在利用我们对自然界的光合作用的理解，来设计人工光合作用体系，这里面还有很多这样那样的问题，我们只走了第一步，证明了这是可行的，而且效率还不错。刚才那个同学所说的商业化，其实有很多这样那样的问题。第一，实验要扩大化，第二，稳定性要增加，第三，选择性要增加，这里面有一系列问题需要解决，所以我们只不过是在学习自然界光合作用中走了第一步。
提问：您刚才提到的火星计划让我们非常神往，人工光合作用的转化效率达到了8%到9%，用到了生物催化剂，是细菌，那是不是要考虑细菌能否在火星上面存活的问题？
杨培东：在整个宇航局中心里面我们是一个团队，我们负责在一个可运行的条件下做人工光合作用。首先，我们知道火星表面的辐射很强，将来人类要在那里生存，辐射要屏蔽，这是一个事情。第二，如果部分不能屏蔽，还要考虑辐射所引起的基因转变。比如说有一个细菌这次产生的是乙酸，一旦它经过辐射以后基因转换了，可能就产生了别的东西，这是接下来肯定要考虑的问题。因为从转换效率跟选择性来说，现在人工光合体系当中的确是生物催化剂走在前面，所以这是先会被试验的一个体系。
提问：我想向郑老师提一个问题，您刚才说的工作是个非常漂亮的工作，一般卤素在还原反应中非常容易脱掉，这在有机化学中是一个比较难的问题。如果把您讲的这个反应引入到有机化学实验室，或者引入药物化学来做，这是一件非常有意义的事情。但我有一点不明确，它的反应条件怎么样？
郑南峰：反应条件都是非常温和的，一般是在一个大气压下，有些甚至是在常温下，因为我们已经实现了工业化。但是我们可能没有关注到药物领域，我们看看能不能让这些催化剂进入到一些试剂公司，让大家都可以用。因为目前我们关注的都是大规模的工业运用，一般都是年产上万吨的公司，我们觉得才比较有价值。当然如果对药物合成有帮助的话，我们也非常高兴看到，事实上我觉得这是一个商业运作的模式，是很好的一个建议，我回去会推推我们团队，让他们往这方面去推，这样的话做有机合成的人也能够用得上。
提问：从我们普通老百姓的电瓶车，到特斯拉的电池用的都是锂电池，我想了解下锂电池的环保问题。
陈立桅：锂电池是可重复使用的充电电池，充电电池本身的起源就是想让资源不要只用一次就浪费掉，基础的理念就是希望能够更加高效，循环利用材料和电池。
现在锂电池的技术，一方面在制造过程当中已经越来越绿色环保，在使用过程当中，电池在经过很多次循环以后，它的性能会有所衰减。比如，电动汽车对电池性能的要求比较高，当它衰减到一定程度，不能满足需求的时候，可以把它替换下来，用在对电池性能要求相对不那么高的场合，比如电网储能，这种方式叫梯次利用。
最终当它的性能衰减到不能使用的时候，还有材料回收的问题。如果不回收，丢在环境里面，它含有一些过渡金属，含有一些重金属，对环境有污染，同时也是对材料的浪费。这方面的技术也是未来电池技术在绿色环保方面的一个重要方向，我不展开细讲，感兴趣的话，我们可以再深入交流。
提问：如果把催化剂放在水里，会不会发生爆炸？
包信和：你正好问到我的专业，我是做催化剂的。催化剂不是一个特定的东西，什么叫催化剂？是本来某个化学反应慢一点，加上这个东西以后它可能就快一点，这个东西就叫催化剂。比如，钠也是催化剂，钠会把水分解，把钠放水里面，马上就会炸起来。铁粉也是催化剂，很细的铁粉在空气中马上就烧起来。因为铁的活性特别强，跟氧反应以后产生氧化铁，氧化铁会释放热量，假如放纸里或桌子上面马上就会烧起来，反应特别快。所以你讲的很对，有些催化剂放在水里，是会炸起来的。
郑南峰：小朋友这个问题非常好，如果把一个催化剂扔到水里面就能够爆炸，直接把水变成氢气和氧气（来制造氢气），是非常好的，但水分解是需要能量的。像刚才包老师讲的钠，钠本身就有很多化学能，所以它就爆了，但是如果催化剂本身只是催化，没有能量输入的话，是没有办法把水变成氢气和氧气的，因为化学键的断裂需要能量。这时，你如果用激光照一下，很有可能给它创造条件，它就有可能爆了，这完全有可能。
提问：三位老师好，我是复旦的一个博士生。现在大家为了解决安全问题，都在做全固态电池，还有氢氧燃料电池。我想问一下这两种电池，哪一种会更快实现应用？
陈立桅：预测未来总是很危险，但是在电池领域里面，未来有两个研究方向。一个是希望能够得到更高的能量密度，第二是希望获得更高的安全性。如果能够很好地实现全固态锂电池，它能够同时解决这两个问题，而且本身这两个问题有点像跷跷板的两头，能量密度高的时候，安全性通常会比较差，所以从这个角度来讲，大家对全固态电池给予厚望，它很有可能是未来一个有突破性的方向。但目前在技术上还有很多问题，包括金属锂本身的安全性，包括怎么让离子在固态的介质里面跑得跟在液体里面一样快。以现在的技术进展来看，比较乐观的技术人员可能会预测，未来五到十年有可能看到全固态电池真正在市场上的应用。
至于氢氧燃料电池，这个技术也是存在很久了，在一些特定的场合实际上已经有应用，比如在宇宙的探索上。但是很多时候做能源的应用，有一个成本的考虑，大规模地在民用市场上的应用，这方面可能培东有很多经验。
杨培东：在汽车方面，丰田Miral汽车已经在用氢氧燃料电池，商业化的氢氧燃料电池已经在推广，但那个技术很老，是在几十年前发明的，一直存在成本的问题。但作为国家战略，日本一直在推广氢能源汽车，丰田Miral 是第一次大规模把氢燃料电池用起来的，很多氢能源汽车在日本都已经在开了。
郑南峰：我们国家今年在新能源汽车补贴方面的政策已经发生变化，逐步从锂电池汽车往氢能源汽车转变了，这意味着我们可能不是那么排斥燃料电池，也可能是因为看到了这里面的潜力。但这的确对研究催化剂的人提出了很大的挑战，比如它的两个反应电极用的是铂金来作为催化剂，但是全世界的铂金就只有一个游泳池那么多，所以它的大规模应用很难，我们必须找到相应的替代的催化剂，这是我们需要努力的方向。
包信和：我也稍微补充两句，自然界并不顺着人的想法，并不是你想要的最好的都在这里，有好的，必定有负面的作用在。我们通过科学研究把好的发挥出来，把负面的避免掉。比如氢氧燃料电池，自然界当中是没有氢气的，氢气从哪里来？现在看来就是从水里，通过电解水而来。那么电从哪里来？煤。那么又会产生二氧化碳，这是一个问题。
第二个问题，现在充电桩已经开始有了，如果把路上全变成加氢站，现在还没有制造这么多，而且氢气还有危险。我们中国装氢气的瓶子，大概是150个大气压。一般来说国外大概装300个大气压，现在日本人做的瓶子装700多个大气压，比我们多四五倍。瓶子里氢气装的越多，它就走的越远。南峰之前也讲到，要做氢能源汽车，首先要做氢氧燃料电池，这个里面是用贵金属铂金来做催化剂的，现在很多科学家说我研究新型催化剂替代铂金，但是发现它的寿命、性能就没有铂金那么好。所以我们，特别是年轻人要知道，没有哪一样东西，都是顺着我的想法走，它有好的，一定也有坏的。
提问：请问杨教授，即便二氧化碳在火星上能转化成一部分氧气，但是火星上存在天然氮元素缺乏的问题，会不会给我们生活带来一些阻碍或者不便？
杨培东：这个是火星上氮的收集和转化的问题，火星上氮气的成分是2%-3%，人类真正需要的总的肥料，只占大气成分中的少部分。但是最重要的事情，是怎么能够在科学上证明这是可行的，这是第一步。现在我们还做不到这一点。因为现在我们在地球上做的氮气转化，基本是在高温高压的状态来做，但在外太空，必须要在它的气候条件下来做，所以这是第一步，怎样把可行性做出来。
但是我们不用担心火星上面的氮气会被全部转化成肥料，以后没得用了。在地球上也好、外太空也好，将来很多体系会是一个循环体系，碳、氢、氧、氮都是循环的，地球上这么多年来完全是循环系统。地球从诞生到现在，所有的能源都是太阳能，包括现在地底下的东西，百分之百都是太阳能来的。
包信和：三位嘉宾也很辛苦，要不要通过这个报告给观众讲一句话？
杨培东：我觉得最终感受或者目的，就是需要整个社会都来理解现在我们地球所面临的能源和环境上的重大问题，作为科学工作者来说，我们要完成我们的任务，来解决这样的问题。但作为一个普通大众，作为政府来说，需要真正意识到这个问题，大力鼓励、支持解决这样的问题。
郑南峰：我想讲的就是无知无畏，不要因为科学问题困难就不去解决，而是在这个过程中能够比较清楚地知道问题所在，然后迎难而上。对于年轻人，特别是小朋友们，应该保持你们的好奇心，因为未来都是你们的。
陈立桅：这是我第一次参与这样的科普活动，过程很令人感慨。我们今天讲的是化学和材料，其实特别需要科普，因为很多朋友如果不是这个专业的话，会觉得化学化工非常危险可怕，有一种很负面的印象。实际上刚才郑老师的报告也都提到，杨培东老师的报告更是提到，大家可以看到化学、催化、能源对人类社会多么重要。所以我希望大家尤其是年轻人和小朋友，不要认为“化学”这两个字很可怕。它是一个普通的，我们可以去学习、可以去研究、可以去提高的一门科学。如果能够这样的话，我想我们的目的也就达到了。
包信和：感谢三位主讲嘉宾和今天到场的广大听众，我自己也发一个感慨。科学现在到这样一个程度，实际上跟公众要有很多的交流。不要把科学搞的很神秘，像今天讲的都是跟公众切身相关的事，而且要是把这个事情讲穿了，大家都能够理解是怎么一回事。所以我认为像墨子沙龙包括其他各种形式的科普都特别好，科学家要花时间来进行科普，要跟社会公众交流。通过这个交流过程，也能反馈一些问题到科学家这里来，听众通过这些交流以后，对科学也有比较好的认识。现在从国家的层面上来讲，科学普及包括科学传播，都是非常重要的事。我也利用这个机会感谢以潘建伟院士为代表的一批与墨子相关的科学家，在积极做推动的工作。这件事情，最终肯定是会有益于社会。
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