“等離激元碳中和技術(shù)”亮相2022年全國(guó)科普日北京主場(chǎng)活動(dòng)

《環(huán)境與生活》編輯部

9月15日—21日，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、科技部、生態(tài)環(huán)境部等18個(gè)部委主辦的2022年全國(guó)科普日主場(chǎng)活動(dòng)在中國(guó)科學(xué)技術(shù)館舉行，本次活動(dòng)主題為“喜迎二十大，科普向未來(lái)”，包括“喜迎黨的二十大，奮楫揚(yáng)帆新征程”“科普托起強(qiáng)國(guó)夢(mèng)，十年砥礪鑄輝煌”“新時(shí)代科普實(shí)踐，創(chuàng)新賦能書華章”“科普事業(yè)新發(fā)展，賡續(xù)奮斗向未來(lái)”四個(gè)部分。

由中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)和北京光合新能科技有限公司聯(lián)合制作的“等離激元碳中和技術(shù)”展項(xiàng)入選了本次活動(dòng)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工作人員介紹，“等離激元碳中和技術(shù)”展項(xiàng)，旨在以“全國(guó)科普日”為契機(jī)，讓公眾了解“雙碳”相關(guān)前沿技術(shù)，激發(fā)公眾尤其是青少年崇尚科學(xué)、探索未知，敢于創(chuàng)新的熱情。

等離激元碳中和技術(shù)

“哇，這是什么呀？怎么還有煙？”“它怎么還會(huì)閃？”在等離激元碳中和展臺(tái)“等離激元碳中和技術(shù)”展項(xiàng)迎來(lái)了許多好奇而來(lái)的小觀眾。首先映入人們眼簾的便是擺放在正前方的沙盤模型。展品左側(cè)從上至下擺放著太陽(yáng)，二氧化碳和水的模型，小朋友們按照講解員的指引，依次按下左側(cè)代表三個(gè)物質(zhì)的開關(guān)，當(dāng)三個(gè)開關(guān)全部啟動(dòng)后，連接這三個(gè)模型的燈光開始流動(dòng)，跟隨燈光的指引，太陽(yáng)光作為驅(qū)動(dòng)能源，二氧化碳和水作為反應(yīng)原料，被輸送到展臺(tái)中部的人工光合反應(yīng)器中，在內(nèi)部納米級(jí)等離激元催化劑的作用下，聚焦增強(qiáng)的能量使二氧化碳（CO2）和水（H2O）分解，生成碳中和燃?xì)猓–H4）的同時(shí)釋放出氧氣（O2）。展臺(tái)上方的放大模型展示出反應(yīng)器的內(nèi)部剖面結(jié)構(gòu)，在這里，可以更加直觀地了解到等離激元催化劑的形態(tài)和構(gòu)造。通過(guò)燈帶的示意，模擬出局域等離激元效應(yīng)激發(fā)時(shí)的能量聚焦現(xiàn)象，生動(dòng)地闡釋了等離激元增強(qiáng)催化的科學(xué)原理。

等離激元碳中和技術(shù)可以利用二氧化碳來(lái)生產(chǎn)甲烷——就是我們常常聽(tīng)到的天然氣，也是我們?cè)诩依镒鲲?、取暖所用到的燃?xì)狻Ｓ捎谶@里的甲烷是由大氣或工業(yè)排放中的二氧化碳人工合成的，而不是從地下挖掘取得，因此是一種碳中和的綠色燃料。沙盤右側(cè)通過(guò)一組建筑模型來(lái)展示這項(xiàng)碳中和前沿技術(shù)的完整應(yīng)用場(chǎng)景。火電廠利用燃?xì)猱a(chǎn)生的熱量做功推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，在這一過(guò)程中會(huì)排放二氧化碳。等離激元反應(yīng)裝置捕集這些二氧化碳，避免這種溫室氣體進(jìn)入大氣對(duì)氣候造成危害，并加入水將它們轉(zhuǎn)變?yōu)槿細(xì)狻Ｈ細(xì)饪梢岳^續(xù)充當(dāng)火電廠的燃料進(jìn)行發(fā)電，或者通過(guò)市政管道進(jìn)入千家萬(wàn)戶，供人們炒菜做飯、燒水取暖，滿足居民的日常生活所需，從而實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的零碳綠色循環(huán)。

等離激元碳中和技術(shù)實(shí)際上是對(duì)于表面等離激元這個(gè)微觀物理現(xiàn)象的應(yīng)用。表面等離激元是自由光子與金屬表面電子相干震蕩所形成的獨(dú)特電磁模式，即光與金屬納米粒子相互作用能夠在納米尺度范圍聚焦很強(qiáng)的電磁能量，突破了傳統(tǒng)光學(xué)中的衍射極限?？茖W(xué)家們通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行納米和原子級(jí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)局部等離激元作用（納米結(jié)構(gòu)的光自聚焦效應(yīng)），好似微型透鏡，聚焦光或熱輻射的能量，增強(qiáng)納米催化劑的催化能力。

為方便大家理解目前最前沿的“等離激元增強(qiáng)催化技術(shù)”，展方還特意制作了視頻來(lái)幫助大家理解人工光合作用是如何實(shí)現(xiàn)的。片中介紹了光合新能的反應(yīng)器模型以及由其自主研發(fā)的催化劑，其中灰色的球型結(jié)構(gòu)為催化劑，表面的黃色亮點(diǎn)代表的單原子級(jí)活性金屬分散鑲嵌在催化劑表面形成了原子級(jí)結(jié)構(gòu)。在動(dòng)畫演示中我們看到，等離激元催化劑通過(guò)吸收可見(jiàn)光及紅外輻射等能量，使能量聚焦于催化劑表面并產(chǎn)生共振，橙黃色金屬位點(diǎn)逐漸發(fā)光閃爍，呈現(xiàn)了這一發(fā)生在催化劑表面的局域能量增強(qiáng)的特性。等離激元聚焦的能量將二氧化碳和水分子的化學(xué)鍵分解打開，其中的碳、氫、氧原子在催化劑表面重新組合，從而產(chǎn)生了甲烷（CH4）和氧氣（O2）。在這個(gè)反應(yīng)中，等離激元納米催化劑充當(dāng)了葉綠素的角色，復(fù)制了植物的光合作用過(guò)程。

等離激元催化技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了政府層面的重視和支持。2022 年，科技部公布了《“催化科學(xué)”重點(diǎn)專項(xiàng) 2022 年度項(xiàng)目申報(bào)指南（征求意見(jiàn)稿）》。在碳達(dá)峰碳中和的大背景下，“催化科學(xué)”在眾多研究領(lǐng)域中引起了高度關(guān)注，特別是《征求意見(jiàn)稿》首次提到“表面等離激元催化”技術(shù)?！墩髑笠庖?jiàn)稿》明確，“表面等離激元催化”研究領(lǐng)域包括，發(fā)展結(jié)構(gòu)可控的表面等離激元催化劑，認(rèn)識(shí)納米結(jié)構(gòu)與光子相互作用的本質(zhì)，探索電磁場(chǎng)熱點(diǎn)的光熱和光電協(xié)同催化機(jī)理；利用時(shí)空分辨等先進(jìn)表征技術(shù)，揭示局域光場(chǎng)、電場(chǎng)、電荷富集和催化活性位點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系以及等離激元的動(dòng)態(tài)馳豫機(jī)制，提出電荷分離新策略，聚焦重要等離激元誘導(dǎo)的催化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高效等離激元催化體系理性設(shè)計(jì)。

科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新是把“雙碳”納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局的重要支撐保障。綠色低碳領(lǐng)域的革命性技術(shù)，不僅可以加速“雙碳”進(jìn)程，還可以轉(zhuǎn)化為生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展的不竭動(dòng)力。為深入貫徹落實(shí)黨中央國(guó)務(wù)院關(guān)于碳達(dá)峰碳中和的重大決策部署，2022年8月，由科技部、國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部等9部門也印發(fā)了《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案（2022—2030年）》，保障我國(guó)順利實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，同時(shí)為碳中和的實(shí)現(xiàn)做好技術(shù)研發(fā)儲(chǔ)備。

等離激元人工光合技術(shù)可以作為治碳制能技術(shù)，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為能源，做到了變廢為寶，掣肘變共贏，將劣勢(shì)變優(yōu)勢(shì)，輕松破解氣候變化和能源枯竭魔咒，氣候變化與能源枯竭由雙輸變雙贏。不僅解決了二氧化碳的排放問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于新產(chǎn)生的二氧化碳也不再是負(fù)擔(dān)，可以采用該技術(shù)繼續(xù)將二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為能源，開辟了新的二氧化碳減排和制能的路線。在“3060”政策驅(qū)動(dòng)下，全社會(huì)將為碳中和目標(biāo)開展大規(guī)模減碳行動(dòng)，等離激元人工光合技術(shù)可以在不影響發(fā)展和生產(chǎn)的同時(shí)，直接減少二氧化碳的排放，為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)提供動(dòng)力和保證。

能源環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)今人類面臨的巨大挑戰(zhàn)，我國(guó)的能源環(huán)境困境更是世界上少有，油氣資源短缺和二氧化碳排放是我國(guó)綠色高質(zhì)量發(fā)展瓶頸，已經(jīng)成為威脅中華民族永續(xù)發(fā)展的一個(gè)重大問(wèn)題。而等離激元碳中和技術(shù)是破解我國(guó)能源環(huán)境困境的核心力量，該技術(shù)有利于推動(dòng)綠色循環(huán)低碳發(fā)展，有利于推進(jìn)能源革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。這一顛覆性前沿技術(shù)為從根本上破解能源環(huán)境困境帶來(lái)了希望與可能。