碳中和：憑“空”制出液態(tài)燃料

文 趙俊博

“云里銅烏風作籟，天邊金掌露成霜?！边@句宋詩是對金銅仙人承露盤的生動描述，表明在古代，人們就懂得從空氣中“捕獲”所需成分——水了。

兩千多年后的今天，人們依然致力于研究如何有效利用空氣。只不過如今的研究大大增加了科技含量，其中的趨勢之一是注重空氣中碳的轉化與利用。例如，微藻生物固碳技術利用空氣中的二氧化碳生產(chǎn)燃料、化學品和食物等；二氧化碳甲烷化技術通過金屬催化，將二氧化碳轉化為天然氣，實現(xiàn)二氧化碳資源化利用。

瞄向空氣中碳的轉化利用

有人可能會問：為什么要重視空氣中碳的轉化和利用呢？這主要從兩點考慮——

首先是從物質上看。作為碳基生命，生物都需要碳，所以很自然地想要把空氣里的碳轉化為食物。

其次是從能量上看。供能所需的有機物都含有碳，而它們釋放能量后會變成二氧化碳散發(fā)到空氣中。如果把這些二氧化碳再轉化為儲能物質，就可實現(xiàn)碳中和，即碳的收支相抵，減輕溫室效應。

2021年，中國科學家在實驗室中首次實現(xiàn)從空氣中的二氧化碳到淀粉分子的全合成，為應對糧食危機和氣候變化提供了一條很有前景的策略。這是受光合作用啟發(fā)，人類智慧對自然智慧的一種模仿。

無獨有偶，近日瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的科研團隊設計了一套利用陽光和空氣直接生產(chǎn)液態(tài)烴或甲醇燃料的裝置，為吸收和利用二氧化碳提供了又一條光明之路。

據(jù)頂級學術期刊《自然》雜志報道，這種裝置在日常條件下運行，能在一天7小時的工作時間內(nèi)生產(chǎn)32毫升甲醇。

眾所周知，自然界有一條重要定律，那就是質量守恒。物質在化學反應過程中，原子種類不變，數(shù)目不增不減，只是發(fā)生重新結合，從一種連接方式轉化為另一種連接方式。就像一個班級調換座位后重新劃分小組一樣，又進行重組，但班里的人沒有變。

如果我們想要得到甲醇或其他液態(tài)烴類燃料，那么制備它們的原料也應含有同樣元素，即碳、氫、氧。空氣屬于混合物，里面含有氮氣、氧氣、稀有氣體、二氧化碳及其他物質。其中二氧化碳約占0.04%，水蒸氣和其他雜質約占0.002%。

這就為以空氣為原料生產(chǎn)液體燃料提供了可能：經(jīng)由空氣捕獲裝置收集和純化，可得到較為純凈的二氧化碳（純度98%）和水（污染物低于千萬分之二）。

接下來的任務，就是把二氧化碳和水轉化為燃料。

鑒于直接轉化比較困難，一種權宜之計就是先把它們制備成合成氣，即氫氣和一氧化碳。這是制備許多化工原料的原料氣。這套實驗裝置采用的方法是利用太陽能，驅動二氧化碳和水蒸氣與三氧化二鈰發(fā)生氧化還原反應，二氧化碳和水分別被還原為一氧化碳和氫氣，而三氧化二鈰被氧化為二氧化鈰。氧化產(chǎn)物二氧化鈰還可通過吸熱，還原為氧氣和三氧化二鈰，便于再次循環(huán)利用。

市面上，三氧化二鈰價格大約為1萬元/噸，稱不上昂貴，且可循環(huán)利用。合成氣一氧化碳和氫氣進入反應設備后，生成目的產(chǎn)物液態(tài)烴或甲醇，也就是空氣燃料。

人們越來越重視空氣中碳的轉化和利用

說到這里，大家或許會想到，二氧化碳合成淀粉的路線里，也有合成甲醇這一步，但那里用的是氫氣還原，而這里用的是三氧化二鈰還原。

“質”“量”兼優(yōu)的能源利用方式

這條以空氣為原料制備液態(tài)燃料的路線，理論上可行，實際上是否行得通呢？

首先讓我們看一下產(chǎn)量。研究人員發(fā)現(xiàn)，該裝置在正常工作條件下一天運行7小時，通過連續(xù)17次氧化還原循環(huán)，共獲得96.2升的合成氣。這些合成氣，可在裝置中進一步加工成甲醇。

裝置測得的合成氣單程摩爾轉化率為27%，產(chǎn)生的甲醇純度為65%。剩余未轉化的合成氣經(jīng)過6次循環(huán)轉化后，最終總摩爾轉化率為85%。一天運行7小時后，就得到了上述所提到的純甲醇32毫升。這個產(chǎn)量的燃燒熱和一盞功率為9瓦的日光燈照明15小時消耗的電量相當。

當然，這種設備并非只生產(chǎn)甲醇，通過選擇具體的合成工藝，也可定制其他烴類燃料。

研究者認為，如果該項成果投入商業(yè)應用，將會創(chuàng)造巨大收益。例如，商業(yè)規(guī)模的太陽能燃料工廠可使用10個定日鏡場，假設每個定日鏡場收集100兆瓦的太陽輻射熱能，系統(tǒng)總體效率為10%，那么每天就可生產(chǎn)95000升煤油，足夠為一架載有325名乘客的空中客車提供從倫敦到紐約往返一趟的燃料。

這樣看來，產(chǎn)量算是可觀，那么這些燃料的質量如何呢？

我們和常規(guī)的航空燃料對比一下：目前生產(chǎn)航空煤油的常規(guī)方式是重油加氫裂化，產(chǎn)物中會不可避免地帶有含硫化合物、含氮化合物、稠環(huán)芳烴、重金屬等空氣污染物。而通過該太陽能氧化還原裝置生產(chǎn)出來的噴氣燃料，通過燃燒測試表明，有害物質排放顯著減少。相比之下，優(yōu)勢明顯。另外，石油屬于不可再生能源，而空氣可源源不斷地獲取，從長遠來看也更有前景。

在這個太陽能氧化還原裝置里，二氧化碳和水在太陽能作用下會轉化為液體燃料，而當液體燃料投入使用后又會生成二氧化碳和水。從物質角度考慮，碳排放和消耗相等，所以研究者稱其為“碳中和的里程碑”。

從能量角度考慮，在燃料制備過程中，能量大多來自太陽能，而后續(xù)燃料燃燒又可根據(jù)需要轉化為其他形式的能量。因此，這相當于間接利用了清潔能源。

面向未來發(fā)掘“清風”潛力

談到這里，有人可能會質疑：為什么不直接制備氫氣做燃料？這樣就不再產(chǎn)生二氧化碳了呀！

其主要原因有兩個：一是氫氣作燃料，雖可減排，但不能吸收大氣中已有的二氧化碳；二是限于目前的儲氫技術，氫能在交通、家居等場景的普及還不現(xiàn)實。

其實，這項成果對未來最大的意義，并不是提供一個終極的能源生產(chǎn)方式，而是提供一個比較有性價比的固碳乃至碳中和手段，同時有望緩解碳氫燃料短缺且不可再生的危機。

此外，研究者算了一筆賬：基于當前太陽能燃料系統(tǒng)的工作性能，空氣捕獲裝置捕獲量每年達到10萬噸二氧化碳時，大約需要4500平方米的占地面積。假設系統(tǒng)總體效率為10%，那么這樣一個太陽能燃料工廠每年將生產(chǎn)約3400萬升燃料。相比之下，2019年全球航空煤油消耗量為4140億升，若要完全滿足全球需求，所有太陽能發(fā)電廠的總占地面積約為45000平方公里，相當于撒哈拉沙漠面積的0.5%。在人跡罕至的荒漠里，除了“大漠孤煙直，長河落日圓”的勝景之外，還可平添幾分科技氛圍。

這樣看來，太陽能燃料系統(tǒng)原料易得、環(huán)境友好、占地面積并不大，似乎很容易推廣。而實際上面臨著諸多挑戰(zhàn)：太陽能熱化學燃料的初始投資成本很高，每升常規(guī)噴氣燃料的成本通常不超過1美元，每升太陽能噴氣燃料的成本卻到了10美元。所以，其在短期內(nèi)并不占優(yōu)。

鑒于此，研究者拿出方案：呼吁政策支持，為第一代商用太陽能燃料發(fā)電工廠創(chuàng)造一個短期市場；實現(xiàn)自我提升，通過規(guī)模效應和流程優(yōu)化，降低關鍵部件的生產(chǎn)成本，從而提升市場競爭力。

從質量守恒的角度來看，碳雖不會消失，但可轉化為一種有益的存在形式，不管是淀粉還是燃料。這些轉化途徑都不是終極方式，也不是非此即彼。碳中和不會就此止步，未來會出現(xiàn)更多脫碳途徑，各自發(fā)揮不同作用、適用不同條件。

“惟江上之清風，與山間之明月，耳得之而為聲，目遇之而成色，取之無禁，用之不竭。是造物者之無盡藏也”。說出此話的北宋文學家蘇軾盡管很有洞察力，但他或許想不到清風不僅能為“無米炊”，還能化作“萬金油”。的確，到目前為止，我們還不知道二氧化碳究竟蘊藏著多大的轉化潛力、存在多少種可能的用途。這一切，均取決于人類的想象力，這正是創(chuàng)新和改變的源泉。