当世界没有化石燃料时…

二氧化碳经济

想象一下在不远的将来,由于人们对能源和化工产品无尽的需求,对消费的痴迷和对经济增长的不懈追求,地球上所有的化石燃料都被消耗殆尽。先不论必将随之而来的全球大灾难,我们这个没有化石燃料的世界还能剩下什么呢?大量的二氧化碳!人们长期以来排放成瘾的燃烧产物!

在没有化石燃料的世界里,可再生能源并不能满足全球的人们对于能源、化工产品、消费和经济增长的渴求。那我们能怎么办呢?也许我们该学着让世界逆向运转。我们需要让这富含二氧化碳的大气成为我们的燃料和化学品的来源,用太阳作为聚变反应堆来维持生活。

为了恰当应对发展二氧化碳全球经济带来的挑战,让政府、投资商、大学、工业领军者以及大众了解二氧化碳并不是令人担忧的废品至关重要。相反,二氧化碳作为一种全球均匀分布的大量潜在碳源,更应该被视为制备燃料和化工产品的原料。只要通过合适的化学手段,它能转变成无尽的可再生富碳能源和化工产品,并用来永久地维持和保障我们的高品质生活。

用二氧化碳作为带动新经济的“发电厂”的想法建立在人工光合作用的基础上,并有望实现未来的可持续发展。因此,这应该得到全社会的共同支持和积极实施。

我们模拟大自然的旅程刚刚起步。让我们共同期待一场由在进化历程上被打磨的近乎完美的过程——生物光合作用带动的二氧化碳经济革命吧。

全球的挑战

如何将树叶的光合作用机制(将二氧化碳、水和阳光转化为太阳能燃料,如一氧化碳、甲烷和甲醇)应用于纳米世界。图片由Chexi Qian提供。

模拟树叶的功能是一个很吸引人的理念,但离现实还很遥远。如今,还没有一种材料能够直接利用太阳能将二氧化碳转化为可存储和运输的燃料或化学原料,同时其效率和规模又可以与生物光合作用相媲美,可以用于处理每年产生的成千上万吨的二氧化碳。这是一个全球的挑战,其复杂性和规模是前所未有的。对气候变化视而不见,换句话说,忽视空气中人为引起的二氧化碳量持续增加所导致的必然危险,将会带来比人类历史上所有的战争、恐怖主义、饥荒、贫困和疾病更多的死亡。

这个问题中的科学挑战在于找到一系列储量丰富、价格低廉、日光稳定且无毒的材料。这样的材料必须能用于诸如一氧化碳、甲醇或乙醇等太阳燃料和化工产品的生产,该材料对二氧化碳的利用速率和效率在技术层面上必须达到全球量级。

人类的福利

如果这个乌托邦式的梦想真的实现了,那么它将颠覆我们对于二氧化碳的看法:它们将不再是敌人,而是我们最好的朋友。发展一种实用的人工树叶将为全球二氧化碳经济的萌芽埋下种子,从而为碳中性替代品取代石油燃料提供平台。循环使用大气中的二氧化碳,并将其转化为太阳燃料和化工原料似乎是人类在没有化石燃料的世界中维持生存的唯一救世主了。

大势所需

由于对于温室气体排放和气候变化加剧的争论似乎短时间内无法达成一致的意见,美国以及一些欧洲、亚洲国家政府已经决意投资大量资金到人工光合作用的研究和发展项目上。

自2012年起,全球范围内一大批科学家通过科学小组和合作研究的形式展开了人工光合作用方面的工作。这个研究网由数十名欧洲研究合作者组成,包括由欧盟支持的太阳能-氢能联合实验室,和德国马普学会注资一亿欧元基金支持的化学能源转换研究所。美国能源部下由加州理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室领衔的人工光合作用联合中心得到了5年1.22亿美元的基金,用于支持大规模太阳能燃料发生器的研究,该研究将利用地球储量丰富的元素以十倍于当前主流作物的效率通过太阳能大量生产燃料。一些美国能源部支持的能源前沿研究中心,包括西北大学的阿贡-西北太阳能研究中心, 亚利桑那州立大学的仿生太阳能燃料生产中心,和北卡罗来纳大学的太阳能燃料中心也在关注太阳能燃料的相关研究。除此之外,还有其他卓越的国际组织参与相关的研究,包括设立于伦敦帝国理工学院的能源未来实验室(Energy Futures Lab),澳大利亚先进电子材料科学研究中心(Australian Centre of Excellence on Electromaterials Science, ACES)的能源研发项目,以及新加坡南洋理工大学的太阳燃料实验室(Solar Fuels Lab)。在日本,先进低碳技术研究与发展(ALCA)计划致力于生产一种基于过氧化氢的无碳燃料。韩国浦项钢铁公司(Pohang Steel Company)也在大力协助韩国人工光合作用研究中心(Korea Center for Artificial Photosynthesis, KCAP)的发展。而在中国,首个清洁能源国家实验室首要的任务同样是减少碳排放。

多伦多大学太阳燃料研究团队的利于研究推进的协同集成。该集成方案融合了可用于二氧化碳光促还原的设计、合成、结构表征和性质测定、计算模型和纳米系统反应工程。图片由Chandra veer Singh提供。

在多伦多大学,一个成立于2012年的具有多学科交叉背景的太阳燃料研究团队已经研发出一系列纳米材料,该材料在气相中即对二氧化碳具备光致还原活性,从而可用于制备诸如一氧化碳、乙醇或甲醇等太阳燃料。

考虑到实用性和经济性的原因,该团队将研究重点集中在一个气相过程,而不是液相过程。他们坚信能够推动该过程在全球范围内的发展,能够用于处理每年产生的成千上万顿的二氧化碳。该气相反应体系将成为迄今地球上最大的化工厂。

综合考虑各方面因素,多伦多大学太阳燃料团队的专家已经计划将实验和理论材料化学与纳米化学、化学、材料以及光学与光学工程交叉融合。在技术配置和知识技能方面的协同使我们能够有效地合作,从而面对探寻一流的可在技术层面有效地用于大规模的气态二氧化碳转化的人工光合作用材料带来的巨大挑战。

在基础层面上充分地理解先进的纳米结构材料的性质与其合成、复合、结构之间的关系是我们能够深入研究的推动力。因为这些赋予了它们成为有效的气相二氧化碳光催化材料的能力。

我们所有的实验都充分利用了各种衍射技术、显微技术、光谱技术、电学、光学、热学以及吸收分析技术来表征光催化材料的结构与性能之间的关系。我们利用同位素标记反应的中间产物和终产物,从而阐明反应动力学以及反应机理,并用来区分真正的反应产物和源于普遍的碳排放污染产生的人工产物。

在这样的知识背景下,材料光催化反应的转化速度和转化效率的实验室原型才能够实现工程化,从而优化成重要的技术原型,使以二氧化碳和日光为原料的太阳燃料生产达到全球实用的规模。

我们都是地球太空船的旅客

从有关人工光合作用的研究中我们可以发现,科学家很清楚从太阳获取能源从而将二氧化碳转化成能量和化工产品等再生资源用以维持地球生命的紧迫性。而另一个同样迫切的挑战是尽快有效地转变决策者和公众的观念。我们需要说服世界,二氧化碳是人类的朋友,而不是敌人,在化石燃料储备枯竭后的很长一段时间内,它将很有可能用于支撑和维持人类生存。

只有全球一致努力发展人工光合作用科学技术,在化石燃料匮乏的未来世界,二氧化碳才可能成为我们的救星,而非不速之客。

最后的思考

去年,国际能源署(International Energy Agency)警告,如果人类希望避免灾难性的气候变化,第三次世界化石燃料储备必须限制化石燃料的使用,直至2050年。

如此看来,最新的报告应该引起注意,如果政府还不考虑气候变化的原因而颁布法令限制化石燃料使用,那么用于化石燃料储备的6万亿美元将付之东流。

在该方案实施的过程中,估计许多石油巨鳄将丧失高达50%的市值和上万亿的收益。投资者正在密切关注投资石油、煤炭和燃气跨国公司带来的风险,如果碳排放税和其它气体排放限制迫使化石燃料需求衰退,这样的风险可能导致价值数万亿美元的闲置资产。那么,他们为什么不投资气候灾难呢?

在化石燃料世界里,气候的破坏将迫使我们缩减对化石燃料毫无顾忌的自由使用,而基于人工光合作用的二氧化碳经济不仅可以使看好它的的投资者受益,更可以拯救和维持人类健康幸福的生活。

原文:A Fossil Fuel Free World

翻译:宁静;杨扬         

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/