气候难题

我们为什么要担心?

我是个土生土长的英国人,那里人们常聊的主要话题就是气候,因此对于大部分时间都在下雨这种事我已经习以为常了。现在入籍加拿大,我已经习惯并很享受在这样极端炎热和寒冷的天气里生活。对于人工光合作用研究领域,人们对二氧化碳对气候所造成的影响的担忧往往会刺激在该领域的资金投入。目前,甚至在气候科学家中,仍然存在着对气候变化是否人为所致的广泛争论。作为该领域的一名科学家,我变得越来越关心这样的争论,同时也很担忧这种局面。利己主义的游说团体,诸如受益于气候紊乱的新闻媒体,使这种争端日益严重。

这些争论加大了分辨事实和虚幻猜想的难度。这使得那些持人工光合作用可以解决我们所面临的环境和能源问题的观点,并且正在向投资机构、审稿人、媒体和公众寻求支持的科学家们感到愈发的不安。环境问题的不确定性对于正在考虑支持人工光合作用的政府、工业、机构投资者,以及所有对该领域科研发展有兴趣的人民都是一个难题。毋庸置疑地说,我们唯一非常肯定的 “真理”是,人为导致气候变化是有证据的。然而这些证据将始终保持一种“不确定性”,这源于气候问题的本身特点和科学的本质。尽管公众和政治家很渴望“确定性”,但是科学只能提供证据。虽然人们对科学的确定性做各种努力和尝试,但是科学从来就不是简单的确定性的结论。当大量的证据支持某种理论或者假设,直到新的更好的理论代替旧的理论为止,这才是科学。不管你喜欢与否,科学无法提供百分之百的把握,只能说支持某个特定事件或现象的证据是有力的还是不充分的。

 我们为什么要关注?

全球变暖世界最高权威机构——联合国政府间气候变化研究小组(United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change)在2013年8月的一份被新闻媒体披露的草拟报告指出,“几乎可以肯定”的是,几十年来的气温上升可能导致本世纪末前所未有的海平面上升。数百名该会会员科学家将于下个月会集在斯德哥尔摩,决定是否批准该文件。

正如此文和许多类似文章所述,对气候变化的持续争论引发了科学家、经济学家、社会学者、法学学者以及政策制定者间的广泛讨论。由温室气体排放导致的持续全球变暖将可能引发严重的不良后果。目前这些学者正在致力于对来自于对这些不良后果的过度评估或者淡化处理所引起的风险和代价的分析。无论是无所作为还是有所作为,科学家都会估测出相应的风险,并且政治、社会、经济上的决策将在此基础上得以修改和完善。

尽管所有这些都有不确定性,然而对于致力于研究开发不同的可再生能源如太阳能电池、风能和潮汐能的化学家、材料学家和工程师而言,有一件事是毋庸置疑的:这些能源都存在各种问题。太阳能辐射、气流和潮汐会带来间断性和变化性,而且这些能源也无法实现大量储存电能,因为目前这些新能源发电基本上只能是一产生就被用掉。所以,现在亟待开发出一种可按需调配和储存的绿色能源。我们知道,植物叶片能进行光合作用,即利用光照将二氧化碳和水转化成碳水化合物。若能开发出类似的光照转化为燃料的材料或工艺过程,将是个长久解决之计。

在此背景下,对太阳能燃料的研究目标在于,通过人工光合作用机制制造储能丰富、便携式的燃料。之所以提出这样的想法,有以下几点原因。化石燃料的长期利用是不可持续的也是不现实的,而急于开发生物燃料也是目光短浅的做法。因为越来越多的证据显示,通过各种途径获得的生物燃料都不利于能源平衡,也不会比在目前基础上合理适当地利用化石燃料更能减少二氧化碳的排放。更为重要的是,为了满足每年7500万人口增长的迫切能源需求,生物燃料的不断开发导致了土地和水资源滥用,令人十分痛惜。

关于是否要实施碳捕集(CCS)技术以控制气候变化也是一个争议性的问题。持反对意见者认为碳捕集技术不但未经过健康和安全隐患的测试,而且耗能量高,导致电成本增加,以至于可再生能源基础发展更快,成本更低。

图1:Top 12 solar fuels nations, ISI 2012. Source: statnano.com

对于目前社会面临着交错复杂的气候变化问题和可持续能源发展方面的挑战,与集中于生物燃料和碳捕集技术的短期项目相比,人工光合作用的研究发展作为一种长期投资项目,是一种更切实际、更具有吸引力的解决方案。人工光合作用遇到的科学技术问题正在逐渐被理解和克服,与此同时在未来的10-20年,通过强有力的持续的太阳能燃料基本定向研究,我们将可以构建一个与20世纪90年代的人类基因组计划相似的全球性人工光合作用战略计划,来提供更加经济、更加可持续发展的绿色燃料。与生物燃料和碳捕集所承诺的不切实际的好处相比,人工光合作用所给予的是真正的利益。

人工光合作用走向全球化

人工光合作用已经全球化,它的目的是开发温室气体的新用途,也就是将废弃产品转化为燃料或增值化学品。在人工光合作用背景下,从相关文章统计柱形图中,我们可以锁定从三十年前提出人工光合作用的概念以来,研究太阳能燃料最多的12个国家。在过去的十年里,对人工光合作用的研究呈现爆炸式的增长,这与日益增长的全球对气候变化的关注程度相吻合。美国、欧洲和亚洲各国政府已经意识到了人工光合作用的突破在社会、政治、经济和战略上的重大影响,并已经在人工光合作用材料和工艺的基础研究中投资数亿美元,试图在实验室中开发出达到甚至超过自然光合作用的效率的材料和反应过程。

受到Thomas Founce的启发,(Energy & Environmental Science, 2013, 6, 695),即使关于全球气候变化的争论在加剧,仍然有一些办法能够使人工光合作用的全球化举措更加理性化:

i对复杂的生物光合作用的理解需要跨学科的专业知识,需要各个不同研究团队之间的合作用

ii寻找能够模拟光合作用的材料是一项巨大的挑战

iii增加人工光合作用的公众知名度将会鼓励政府、行业和机构利益相关者对太阳能燃料技术的投资进行快速部署。

iv人工光合作用的研究应该自然理性地发展,而不是被不利于社会稳定的危机感所驱使。

不幸的是化石燃料的低成本、日益增长、和容易获得意味着与生物燃料和碳捕集技术相比,人工光合作用的资金仍然很少。然而世界范围的人工光合作用领域的活动成本一直在成倍地增加,创新性材料思路和光催化反应器,缩放材料的技术经济分析以及太阳能燃料的生产、加工、处理方法每天都会在文献报道中出现。在世界各地的研究成果和科学家的专业知识整合下,不断取得的进步将加速实现直接从太阳得到太阳能燃料的进程,从而为碳中性的能源供给提供长期的解决方案和保障,确保后代的健康和发展。

X1000

阳光动力光催化反应:CO2 + H2O + hν → CH4 or CH3OH 的发现引发了将温室气体回收转化为具有附加价值的燃料和化学原料的想法。这一突破性发现激励着世界各地科学家去探索新方法、新材料,以待能够赶上或者超过自然光合作用的效率。三十年后,在探索了元素周期表的结构空间的每一个角落后,由分子或者材料催化的气体和水相的界面反应(CO2 + H2O + hn à CH4 or CH3OH),与最初的报道结果相比,并没有明显的改进。但是人工光合作用的研究人员将会继续这场神奇材料的争夺战,以使得人工光合作用的效率能够增强千倍,达到能够和其他的甲醇、乙醇替代来源相当的技术经济竞争力。

那么,X1000问题的根源是什么?这是一个运动学难题,其挑战在于寻找化学和结构的方法来延长光生电子-空穴对的寿命,其复合时间通常在皮秒到纳秒的时间尺度,这一时长足以使空穴与水氧化的缓慢反应和二氧化碳与电子的还原反应进行竞争。这是一个选择性的问题,即如何设计光敏材料来增益控制能够产生电子-空穴对的化学反应速率与电子-空穴对的复合速率的比值,目前这一比值达到1000左右。这个概念在理论上很简单,但真正应用于实践中是格外困难的。

图2:Assembling the right pieces of the solar fuels materials puzzle to find x1000 efficiency gains.

通过组装正确的拼图块以延长光催化剂内的光生电子-空穴对的寿命(如图2所示)是有据可查的,包括材料在纳米级的构建和掺杂,半导体和液体、半导体和金属、半导体和半导体连接处的剪裁,助催化剂的调整和优化,以及阻挡层、空穴清除剂、氧化还原反应、电子传输级联反应、导电基板和偏置电位的整合。

自本田公司及其同事在1974年首创人工光合作用的34年来,太阳能燃料领域的研究人员仍在探索如何使转换速率和效率得到1000倍的增长,以及长期热化学、光化学和光电化学的稳定性提高,这些参数赋予太阳能燃料材料重要的技术意义和商业潜力。如果这项任务十分容易,那它早已完成了。

图3:Carbon dioxide to solar fuels time line.

这样长期艰巨地探索一种能够与大自然的树叶进行竞争的太阳能燃料材料的过程, 在某种程度上让我想起1991年时,Michael Gratzel里程碑式地发现了染料敏化太阳能电池,据报道,其效率达9%,通过随后22年艰苦卓绝的研究和开发工作,其效率可达到15%,,使它有潜力成为硅武士(silicon Samurai)的一个低成本竞争者。

二氧化碳产业路线图 

近期化工专家评估了将可再生能源转化为有机分子形态化学能源所面临的科学技术挑战和涉及到的时间线。这些有机分子需要方便储存和运输且能作为原料、电力源和燃料源而加入到化工生产的食物链中。

由于化工产业是矿物燃料能源的最大消费者之一,了解如何经营二氧化碳使其做为一种化学资源,而不是作为废品对待,大力开发基于二氧化碳的资源节约型经济,为工业生产过程供能,为社会的可持续发展提供绿色燃料动力,同该产业的利益是一致的。能源密集型的化工产业注意到,将二氧化碳作为原料、电力源和燃料源引入到石化价值链中,运用已知的催化过程将能获得一种可行的并具有成本竞争力的光催化太阳能燃料技术。

从化工行业提出的时间表来看,为了增加可再生能源的使用,短期的愿景(到2020年)涉及到利用来自风能和太阳能的多余电力电解水制氢,将其用于已知的工业催化过程来把二氧化碳还原为化学载体如合成气、甲醇、甲酸、烷烃、烯烃和二甲基乙醚等。使这些过程具有成本效益的电力价格应约为0.05$/千瓦时。

化工产业的中期愿景(到2030年)是应用光电化学分解水制氢的生产技术,这一方法相比于其他氢来源具有较高效率和成本竞争力,如果过电位问题能被克服,这一方法将用于催化二氧化碳还原为有机物的过程。从商业的角度来看,当氢气生产的成本下降至2 – 3$/kg,这项技术会变得非常有吸引力。

从化工产业的长远角度来看(2030年以后),最终开发一个实用的人工树叶技术的材料是极有可能的。该技术能够在一个分散式生产系统里有效地捕获二氧化碳、水和阳光,并将它们直接转化为特定的化学制品和燃料。业内专家承认找到可以模仿甚至超越生物叶的光合性能的光催化剂需要克服巨大的挑战。

对太阳能燃料的高强度、持续的、长期的基础研究是希望能够为将二氧化碳转化为太阳能燃料的时间表的后续阶段提供基础知识,包括从基础到应用研究再到开发制造的过程。(图3)

图4:Interplay between solar fuels from the sun and fossil fuels from the earth. Adapted from loadpaper.com

这些努力终将获得成功,并将作为一个巨大突破来庆祝,这将激发太阳能燃料领域研究的活力,为全球人工光合作用可再生能源技术和政策的发展埋下伏笔。

人工光合作用会赠与人类来自太阳的无限量供应的碳平衡的太阳能燃料,而不是消耗地球上有限的传统化石燃料资源并将其转化为大气中日趋增加的温室气体,承诺了一个可持续发展的新时代。

来源:MaterialsViews

翻译:张文娣,李凤,杨霄

Geoffrey Ozin About Geoffrey Ozin

1965年在英国伦敦国王学院获得学士学位,1967年在牛津大学获得无机化学博士学位。1967年至1969年间任职于英国南安普顿大学,随后加入加拿大多伦多大学并于1977年晋身为全职教授。他还被加拿大政府任命为纳米化学首席科学家,同时他还是英国皇家学会和伦敦国王学院荣誉学士,德国卡尔斯鲁厄理工学院客座教授。更多信息可访问:http://nanowizardry.info/

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