空气变燃料？这项技术可能掌握了能源密码
“惟江上之清风，与山间之明月，耳得之而为声，目遇之而成色，取之无尽，用之不竭。是造物者之无尽藏也”。说出这句话的苏轼前辈尽管很有洞察力，但他做梦也想不到清风不仅能为“无米炊”，还能做“万金油”。
前不久，中国科学家在实验室中首次实现从空气中的二氧化碳到淀粉分子的全合成，为应对粮食危机和气候变化提供了一条很有前景的策略。
无独有偶，近日瑞士苏黎世联邦理工学院（德文：Eidgenössische Technische Hochschule Zürich，简称ETH）的科研团队设计了一套利用阳光和空气直接生产液态烃或甲醇燃料的装置，为吸收和利用二氧化碳提供了又一条光明道路。
这项成果目前已发表在顶级学术期刊Nature上。据报道这种装置在日常条件下运行，能在一天7小时的工作时间内生产32毫升甲醇。听起来是不是很神奇呢，接下来就让我们一探究竟吧。
（图片来源：Nature）
从空气到燃料的奥秘
位于苏黎世联邦理工学院机器实验室大楼楼顶的这套金光闪闪的实验设备，就是今天故事的主角。看外表颜值不凡，简约大气，还打着一把太阳伞，很有格调的样子。它的内心是否像表面这么精简呢？看起来并不是，而是有点复杂。
实验装置工艺流程图（图片来源：Nature）
但大道至简，真理往往是简单的。为了让大家更清晰快速地了解其工作原理，这里提供一张该装置生产空气燃料的简易流程图供参考：
（图片来源：作者自制）
我们都知道，自然界有一条重要的定律，那就是质量守恒。物质在化学反应过程中原子种类不变，数目不增不减，只是发生重新结合，从一种连接方式转化为另外一种连接方式，就像一个班级调换座位后重新划分小组一样，打乱又重组，但班里的人没有变。
如果我们想要得到甲醇或其他液态烃类燃料，那么制备它们的原料也应要含有同样的元素，即——碳、氢、氧。空气属于混合物，里面含有氮气，氧气，稀有气体，二氧化碳以及其他物质。其中二氧化碳的体积分数约为0.04%，水蒸气和其他杂质约占0.002%，含量较为可观且含有想要的元素，这就为液体燃料的生产提供了可能。经由空气捕获装置收集和纯化，便可以得到较为纯净的二氧化碳（纯度98%）和水（污染物低于0.2ppm，ppm意为百万分之几），那接下来的任务就是把二氧化碳和水转化为燃料。
直接转化比较困难，一种权宜之计就是先把它们制备成合成气，即氢气和一氧化碳，这是制备许多化工原料的原料气。这套实验装置采用的方法是利用太阳能，驱动二氧化碳和水蒸气与三氧化二铈发生氧化还原反应，二氧化碳和水分别被还原为一氧化碳和氢气，而三氧化二铈被氧化为二氧化铈。氧化产物二氧化铈还可以通过吸热热还原为氧气和三氧化二铈，便于再次循环利用。合成气一氧化碳和氢气接下来会进入反应设备生成目的产物液态烃或甲醇，也就是空气燃料。
实际运行的效果
这一条以空气为原料制备液态燃料的路线听起来合理，那实际是否行得通呢？首先我们看下产量。研究人员发现，该装置在正常工作条件下一天运行7小时，通过连续的17次氧化还原循环，共获得 96.2 升的合成气，这些合成气可在装置中进一步加工成甲醇。
装置测得的合成气单程摩尔转化率为 27%，产生的甲醇纯度为 65%。
剩余的未转化的合成气经过6次循环转化后，最终总摩尔转化率为 85%。一天运行7小时，得到的纯甲醇量为 32 毫升，这个产量的燃烧热和一盏功率为9瓦的日光灯照明15小时消耗的电量差不多。当然这种设备并不是只能生产甲醇，通过选择具体的合成工艺，也可以定制其他烃类燃料。
研究者设想，如果该项成果投入商业应用，将会创造巨大的收益。例如，商业规模的太阳能燃料工厂可以使用10个定日镜场，假设每个定日镜场收集100兆瓦的太阳辐射热能，系统的总体效率η为10%，那么每天就可以生产95000升煤油，足够为一架载有325名乘客的空中客车A350提供从伦敦到纽约往返的燃料。
（图片来源：科普中国）
那么这些燃料的质量如何呢？我们和常规的航空燃料对比一下。目前生产航空煤油的常规方式是重油加氢裂化，产物中不可避免会带有空气污染物，比如含硫化合物，含氮化合物，稠环芳烃，重金属等。而燃烧测试表明，通过该太阳能氧化还原装置生产出来的喷气燃料有害物质排放则显著减少，这是一个独特的优势。另外，石油属于不可再生能源，而空气可以源源不断地获取，从长远来看也更有前景。
（图片来源：whbyhsh.com）
折腾一圈的意义
故事并没有终结。在这个太阳能氧化还原装置里，二氧化碳和水在太阳能的作用下转化为液体燃料，而当液体燃料投入使用后又会生成二氧化碳和水。从物质的角度考虑，碳排放和消耗相等，所以研究者称其为“碳中和的里程碑”。从能量的角度考虑，在燃料制备过程中能量大多来自于太阳能，而后续燃料燃烧又可以根据需要转化为其他形式的能量，因此相当于间接利用清洁能源。
（图片来源：veer图库）
此外，研究者算了一笔账，基于当前太阳能燃料系统的工作性能，空气捕获装置捕获量达到 100000 吨二氧化碳/年时，大约需要4500平方米的占地面积。假设系统的总体效率η为10%，那么这样一个太阳能燃料工厂每年将生产约3400万升燃料。相比之下，2019 年全球航空煤油消耗量为 4140 亿升，若要完全满足全球需求，所有太阳能发电厂的总占地面积约为45000平方公里，仅相当于撒哈拉沙漠面积的0.5%。
（图片来源：veer图库）
这样看来，太阳能燃料系统原料易得，环境友好，占地面积小，似乎很容易推广，但实际却面临着挑战。太阳能热化学燃料的初始投资成本很高，每升常规喷气燃料的成本通常不超过1美元，而每升太阳能喷气燃料的成本超过了10美元，所以在短期内并不占优势。
鉴于此，研究者有两点考虑，一是呼吁政策支持，为第一代商用太阳能燃料发电工厂创造一个短期市场，迈出这一步十分关键；二是自我提升，通过规模效应和流程优化，关键部件的大规模生产和精益求精来降低成本，从而提升市场竞争力。
脱碳是一个长期的主题，这不是某个地区或群体要思考的事情，而是整个人类共同面临的问题。从质量守恒的角度来看，碳虽然不会消失，但可以转化为一种更有益的存在形式。到目前为止，我们还不知道二氧化碳究竟蕴藏着多大的转化潜力，存在多少种可能的用途。这一切取决于人类的想象力，这是创新和改变的源泉。
参考文献：
Schäppi, R., Rutz, D., Dähler, F. et al. Drop-in Fuels from Sunlight and Air. Nature (2021).
本文由科普中国融合创作出品，鹤仙制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
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