碳中和：憑“空”制出液態(tài)燃料

趙俊博

“云里銅烏風(fēng)作籟，天邊金掌露成霜。”這句宋詩(shī)是對(duì)金銅仙人承露盤(pán)的生動(dòng)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(guò)如今的研究大大增加了科技含量，其中的趨勢(shì)之一是注重空氣中碳的轉(zhuǎn)化與利用。例如，微藻生物固碳技術(shù)利用空氣中的二氧化碳生產(chǎn)燃料、化學(xué)品和食物等;二氧化碳甲烷化技術(shù)通過(guò)金屬催化，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為天然氣，實(shí)現(xiàn)二氧化碳資源化利用。

瞄向空氣中碳的轉(zhuǎn)化利用

有人可能會(huì)問(wèn)：為什么要重視空氣中碳的轉(zhuǎn)化和利用呢？這主要從兩點(diǎn)考慮——

首先是從物質(zhì)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(zhuǎn)化為食物。

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

2021年，中國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)從空氣中的二氧化碳到淀粉分子的全合成，為應(yīng)對(duì)糧食危機(jī)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(lèi)智慧對(duì)自然智慧的一種模仿。

無(wú)獨(dú)有偶，近日瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套利用陽(yáng)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(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志報(bào)道，這種裝置在日常條件下運(yùn)行，能在一天7小時(shí)的工作時(shí)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(zhì)量守恒。物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，原子種類(lèi)不變，數(shù)目不增不減，只是發(fā)生重新結(jié)合，從一種連接方式轉(zhuǎn)化為另一種連接方式。就像一個(gè)班級(jí)調(diào)換座位后重新劃分小組一樣，又進(jìn)行重組，但班里的人沒(méi)有變。

如果我們想要得到甲醇或其他液態(tài)烴類(lèi)燃料，那么制備它們的原料也應(yīng)含有同樣元素，即碳、氫、氧?？諝鈱儆诨旌衔?，里面含有氮?dú)狻⒀鯕?、稀有氣體、二氧化碳及其他物質(zhì)。其中二氧化碳約占0.04%，水蒸氣和其他雜質(zhì)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(wàn)分之二）。

接下來(lái)的任務(wù)，就是把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為燃料。

鑒于直接轉(zhuǎn)化比較困難，一種權(quán)宜之計(jì)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(shí)驗(yàn)裝置采用的方法是利用太陽(yáng)能，驅(qū)動(dòng)二氧化碳和水蒸氣與三氧化二鈰發(fā)生氧化還原反應(yīng)，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(guò)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(jià)格大約為1萬(wàn)元/噸，稱(chēng)不上昂貴，且可循環(huán)利用。合成氣一氧化碳和氫氣進(jìn)入反應(yīng)設(shè)備后，生成目的產(chǎn)物液態(tài)烴或甲醇，也就是空氣燃料。

說(shuō)到這里，大家或許會(huì)想到，二氧化碳合成淀粉的路線(xiàn)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(zhì)”“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(xiàn)，理論上可行，實(shí)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(yùn)行7小時(shí)，通過(guò)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(jìn)一步加工成甲醇。

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

當(dāng)然，這種設(shè)備并非只生產(chǎn)甲醇，通過(guò)選擇具體的合成工藝，也可定制其他烴類(lèi)燃料。

研究者認(rèn)為，如果該項(xiàng)成果投入商業(yè)應(yīng)用，將會(huì)創(chuàng)造巨大收益。例如，商業(yè)規(guī)模的太陽(yáng)能燃料工廠可使用10個(gè)定日鏡場(chǎng)，假設(shè)每個(gè)定日鏡場(chǎng)收集100兆瓦的太陽(yáng)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?yàn)橐患茌d有325名乘客的空中客車(chē)提供從倫敦到紐約往返一趟的燃料。

這樣看來(lái)，產(chǎn)量算是可觀，那么這些燃料的質(zhì)量如何呢？

我們和常規(guī)的航空燃料對(duì)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(huì)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(guò)該太陽(yáng)能氧化還原裝置生產(chǎn)出來(lái)的噴氣燃料，通過(guò)燃燒測(cè)試表明，有害物質(zhì)排放顯著減少。相比之下，優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看也更有前景。

在這個(gè)太陽(yáng)能氧化還原裝置里，二氧化碳和水在太陽(yáng)能作用下會(huì)轉(zhuǎn)化為液體燃料，而當(dāng)液體燃料投入使用后又會(huì)生成二氧化碳和水。從物質(zhì)角度考慮，碳排放和消耗相等，所以研究者稱(chēng)其為“碳中和的里程碑”。

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

面向未來(lái)發(fā)掘“清風(fēng)”潛力

談到這里，有人可能會(huì)質(zhì)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(gè)：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(chǔ)氫技術(shù)，氫能在交通、家居等場(chǎng)景的普及還不現(xiàn)實(shí)。

其實(shí)，這項(xiàng)成果對(duì)未來(lái)最大的意義，并不是提供一個(gè)終極的能源生產(chǎn)方式，而是提供一個(gè)比較有性?xún)r(jià)比的固碳乃至碳中和手段，同時(shí)有望緩解碳?xì)淙剂隙倘鼻也豢稍偕奈C(jī)。

此外，研究者算了一筆賬：基于當(dāng)前太陽(yáng)能燃料系統(tǒng)的工作性能，空氣捕獲裝置捕獲量每年達(dá)到10萬(wàn)噸二氧化碳時(shí)，大約需要4500平方米的占地面積。假設(shè)系統(tǒng)總體效率為10%，那么這樣一個(gè)太陽(yáng)能燃料工廠每年將生產(chǎn)約3400萬(wàn)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(mǎn)足全球需求，所有太陽(yáng)能發(fā)電廠的總占地面積約為45000平方公里，相當(dāng)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(zhǎng)河落日?qǐng)A”的勝景之外，還可平添幾分科技氛圍。

這樣看來(lái)，太陽(yáng)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(shí)際上面臨著諸多挑戰(zhàn)：太陽(yáng)能熱化學(xué)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(guò)1美元，每升太陽(yáng)能?chē)姎馊剂系某杀緟s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(yáng)能燃料發(fā)電工廠創(chuàng)造一個(gè)短期市場(chǎng);實(shí)現(xiàn)自我提升，通過(guò)規(guī)模效應(yīng)和流程優(yōu)化，降低關(guān)鍵部件的生產(chǎn)成本，從而提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

從質(zhì)量守恒的角度來(lái)看，碳雖不會(huì)消失，但可轉(zhuǎn)化為一種有益的存在形式，不管是淀粉還是燃料。這些轉(zhuǎn)化途徑都不是終極方式，也不是非此即彼。碳中和不會(huì)就此止步，未來(lái)會(huì)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(fēng)，與山間之明月，耳得之而為聲，目遇之而成色，取之無(wú)禁，用之不竭。是造物者之無(wú)盡藏也”。說(shuō)出此話(huà)的北宋文學(xué)家蘇軾盡管很有洞察力，但他或許想不到清風(fēng)不僅能為“無(wú)米炊”，還能化作“萬(wàn)金油”。的確，到目前為止，我們還不知道二氧化碳究竟蘊(yùn)藏著多大的轉(zhuǎn)化潛力、存在多少種可能的用途。這一切，均取決于人類(lèi)的想象力，這正是創(chuàng)新和改變的源泉。

（文章轉(zhuǎn)載自《解放軍報(bào)》。責(zé)編：楊思玄）