中國科學家「模仿植物」成功製備清潔燃料！或可大規模生產

2020-08-30 DeepTech深科技

你知道地球上最大規模的能量和物質轉換過程是什麼嗎？

如果一時想不起來，那換個問題，利用陽光和空氣中的二氧化碳，合成有機化合物並釋放出氧氣的過程是什麼？是的，這就是植物的光合作用，它是地球上生命體賴以生存的基礎。

如今，英國劍橋大學化學系博士後王謙及其所在團隊的新研究，向著實現人工光合作用邁進了一步。他們開發出一種獨立的設備，無需任何其他添加物或電力，就可以將太陽光、二氧化碳和水轉化為碳中性燃料——一種沒有溫室氣體淨排放量或碳足跡的能源燃料或能源系統。

「我們的工作主要是利用溫室氣體二氧化碳，將太陽能轉化為可儲存的化學清潔能源。」 王謙告訴 DeepTech。

這項新技術可用於生產易於儲存的液體清潔燃料，代表了一種將二氧化碳轉化為清潔燃料的新方法，並顯示出大規模生產燃料的潛力；儘管測試單位的大小為 20 平方釐米，但該無線設備的體積可以被設計得更大，用作類似於太陽能農場的能源 「農場」，利用太陽光和水來生產清潔燃料。相關研究成果於 8 月 24 日，以論文的形式發表在《自然 - 能源》（Nature Energy）雜誌上。

（來源：Nature Energy）

王謙是論文的第一作者，她告訴 DeepTech，英國劍橋大學化學系教授歐文 · 萊斯納（Erwin Reisner）是該項目的主要負責人，項目的想法是王謙和萊斯納共同提出的，王謙負責器件的製備、分析和活性表徵，同組的朱利安 · 沃南（Julien Warnan）和蒂亞戈 · 羅德裡格斯 - 希門尼斯（Santiago Rodriguez-Jimenez）博士則負責分子催化劑的合成和分析，東京大學堂免一成（Kazunari Domen）教授也參與了這一研究的討論，並提供了很多寶貴的想法和意見。

「模仿植物」 轉化太陽能

燃料，是一種通過化學反應或核反應釋放本身內能以供他人使用的物質，比如我們熟知的石油、煤炭，以及經由石油煉化產生的汽油、柴油和煤油等，它們都與人類的工作和生活息息相關。

但是，化石燃料在釋放內能、轉化為熱能的同時，也會造成水資源汙染、溫室效應等諸多環境問題，而且作為不可再生資源，化石燃料面臨著資源短缺、過度開採等問題。根據目前已探明儲量和開採流量預測，化石燃料的可開採年限預計在 150 年內。

當前，世界的科學家們正致力於開發可再生的清潔能源，如何尋找一種環保、高效、可持續發展的燃料製備技術，一直是近年來的研究熱點。太陽能因為分布廣以及取之不盡等優點，其應用受到科學家們的廣泛關注。

圖 | 王謙，英國劍橋大學化學系博士後

除了利用太陽能發電，科學家也希望利用太陽能將二氧化碳轉化為燃料，這可以有效減少碳排放，並向低碳能源過渡。然而，同時生產清潔燃料而又不產生副產物是極具挑戰性的。

王謙出生於江西，碩士畢業於天津大學，之後去日本東京大學攻讀博士學位，在東京大學作為人工光合成項目的研究員工作四年，於 2018 年以瑪麗 · 居裡學者的身份進入劍橋大學學習和工作，研究方向集中在人工光合成，將太陽能轉化為清潔可再生新能源。

「要實現具有高度選擇性的人工光合作用是很困難的，因為你要儘可能多地把太陽光轉化為燃料，而不是留下大量的廢棄物。」 王謙說。

萊斯納也表示，氣態燃料的存儲和副產物的分離可能也會很複雜，他們希望既可以實現液態燃料的清潔生產，也可以將其輕鬆地存儲和運輸。

與傳統的電極或者懸浮液體系不同的是，在這項研究中，太陽能是唯一的輸入能源，不需要電能或者犧牲劑的幫助，因此成本比較低，而且與傳統體系相比，他們在這項研究中研發的設備已被證實具有更大的大面積化生產和使用的潛能。

圖 | 簡易設備

在這一研究中，被稱為光催化板（photosheet）的設備模仿植物將太陽光轉化為能量的能力，是朝著實現人工光合作用邁出的重要一步。它基於先進的光催化板，可將太陽光、二氧化碳和水轉化為氧氣和甲酸，甲酸是一種可儲存的燃料，可以直接使用，也可以轉化為氫氣，而且甲酸也可以在溶液中積累，並通過化學作用轉化為不同類型的燃料。

一旦效率提升，或可大規模商業化

近年來，雖然人工光合成研究取得了突破性發展，但與化石燃料相比，其所生產的再生能源的成本依然不具優勢，如果要實現利用太陽能製備清潔能源的低成本生產，目前所有實驗室研究體系的效率都需要再提升。在此次研究中，目前光催化板將太陽轉化為化學能的效率為 0.1% 左右。

當前，王謙及其團隊的工作重點正是優化該體系，以取得更高的效率。「我們的目標是將太陽能到化學能的轉化效率提高到 5%-10%，目前正通過優化材料和體系向這個方向努力。」 在未來的工作中，王謙表示，他們將致力於利用該體系將太陽能和二氧化碳轉化為其他燃料，比如甲醇。

早在 2019 年，萊斯納團隊的研究人員就開發了一種基於 「人造葉」 設計的太陽能反應器，該反應器也可以利用太陽光、二氧化碳和水生產合成氣（一氧化碳和氫的混合物，尤指由低級煤生產的可燃性氣體，主要用於化學和生物加工以及甲醇的生產）。

當時 「人造葉」 使用了太陽能電池中的成分，這種新設備則完全不需要，只需依靠嵌入到薄片中的光催化劑來生產所謂的光催化劑薄片，這種薄片由半導體粉末組成，製備方便且十分經濟。

對此，王謙表示，「幾乎沒有副產物，我們對它在選擇性方面的出色表現感到驚訝。有時候情況不如預期那樣好，但這是一種罕見的情況，實際上效果更好。」

雖然這種技術會比 「人造葉」 更容易擴大規模，但在考慮任何商業化之前，仍需提高其效率。目前他們正在試驗各種不同的催化劑，以提高穩定性和效率。

王謙表示，相對來說，這項研究成果是目前太陽能 - 化學能轉化體系中更容易大面積推廣的技術。如果體系的效率和穩定性能進一步提高，將具有巨大的商業化前景。

儘管當前這一技術還處於發展階段，但為發展新型可再生能源和降低大氣中的二氧化碳濃度等環境問題提供了新的手段和方向。

「我希望留在學術界繼續做研究，目前正在與國內高校接觸。」 王謙說。

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