用人造樹葉從稀薄的空氣中產生燃料

2020-10-22 唔懂


人造葉可能有一天提供燃料

劍橋大學能源與可持續性教授埃文·賴斯納指出，太陽產生的能量足以滿足人類活動，但我們仍然無法捕捉到足夠的能量。

他領導著一個研究小組，試圖捕獲更多的自由能。

儘管近年來太陽能電池板取得了長足的進步，變得更加便宜和高效，但它們只是提供電力，而不是仍然需要大量存儲液體燃料。

「如果看一下全球能源組合以及需要什麼，電力可能只佔20％到25％。所以問題是當我們覆蓋了25％時，下一步該怎麼做？」 問賴斯納教授。

他的回答是著眼於自然：「植物是一個巨大的靈感，因為他們在數百萬年的時間裡已經學會了如何吸收陽光並將能量存儲在能量載體中。

「我真的相信，在未來的二十年中，人工光合作用將成為該能源組合的一部分。」

植物光合作用時會吸收水和二氧化碳，並利用太陽光將這些原料轉化為生長所需的碳水化合物。


Reisner教授認為樂觀的人工光合作用將成為重要的能源提供者

Reisner教授說：「我們想複製這一點，但我們並不是真的想製造碳水化合物，因為它們會產生糟糕的燃料，因此，與其製造碳水化合物，不如嘗試製造更容易使用的東西。」

另一個問題是，植物實際上並不十分擅長光合作用，只能將太陽能的百分之一或百分之二轉化為燃料。美國能源部得出結論，為使人工光合作用在經濟上可行，效率需要提高到5％至10％。

Reisner教授的團隊研究了許多方法，包括模擬自然光合作用的系統，該系統使用酶分解水並產生氫作為燃料。

但是，效率仍然很低，並且作為氣體，氫難以存儲。

從長遠來看，也許更有希望的是他的團隊最近開發了一種小型設備，該設備將陽光，二氧化碳和水轉化為氧氣和甲酸，這是一種具有高能量密度的液體燃料。

該設備包含一個面板，面板位於水和二氧化碳浴中。在陽光下，面板釋放出電子，該電子與水中的二氧化碳和質子結合形成甲酸。

Reisner教授說：「這些系統就像面板或薄板。這是一個非常薄的設備-您幾乎可以將其視為一張紙。」

該設備最大的進步也許就是它是獨立的。它不需要外部電源，也不需要任何額外的催化劑補充。

人造葉子包含一塊面板，該面板可與陽光，二氧化碳和水反應生成燃料

儘管面臨挑戰，人工光合作用仍吸引著重量級投資。在美國，能源部最近宣布在五年內提供1億美元（7,600萬英鎊）的資金。

資金將用於兩個單獨的項目：太陽能轉化為液體燃料的混合方法中心（追逐）和液體陽光聯盟（Lisa）。

由北卡羅來納大學教堂山分校（UNC）領導的Chase，正在開發類似於劍橋設備的實際應用，其方法是開發一些系統，例如太陽能電池板，利用半導體吸收光，然後使用各種不同的催化劑來轉化太陽能。二氧化碳作為燃料。

蔡斯副主任吉利安·登普西教授說，研究的一個特別重點是級聯催化劑的概念。將二氧化碳轉化為可用的燃料需要進行多次化學轉化-催化劑一次只能處理一種。

她說：「第一個步驟是第一步，然後將其產物傳遞給下一個催化劑。」 「每個人都將執行一個高度選擇性的過程，並在這一步驟之後將其移交給合作夥伴。」


美國研究人員正在研究利用陽光產生可儲存的液體燃料

Lisa項目正在採用一種更具理論性的方法，致力於改善人造光合作用的各個階段和組成部分。在嘗試之前，先通過計算機對潛在的催化劑和過程進行建模。

加州理工學院的項目負責人哈裡·阿特沃特（Harry Atwater）教授說：「我們在理論上付出了巨大的努力，理論與實驗是並駕齊驅的。」 「現在，我們擁有了實際上是世界上最大的資料庫，這是句號。」

壞消息是，我們不太可能很快看到充滿光合作用面板的欄位。根據登普西教授的說法，仍然存在主要的絆腳石。

將所有技術整合在一起是一個問題。

她說：「在光收集方面，在製造燃料的催化方面以及在管理系統方面，都有一些令人難以置信的科學。」

「但是將這些單獨的組件集成到能夠進行人工光合作用的系統中是一個巨大的挑戰。」

很難確保反應產生商業上可行的燃料，而許多可以實現這一目標的催化劑對於大規模使用而言過於昂貴或效率低下。

最後，登普西教授說，耐用性是一個問題：「當您遇到持續不斷的輻射（日光）時，會引起非常有害和腐蝕性的反應。」

結果，人工光合作用仍然不能廉價地生產液體燃料以與化石燃料競爭。

Reisner教授說：「但是動態變化很快。」

「石油價格可能會發生變化，稅收也會發生變化。當事情開始發生變化時，將來某個時候人造光合作用的價格將下降，化石燃料的價格將上升。問題是這些界限何時會交叉。

「如果回溯十年，即使對光伏發電成本的最樂觀的預測也與發生的事情不符。成本下降了85％，這是令人難以置信的。一旦規模經濟出現，很多事情都是可能的。所以我很樂觀。」

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