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從實驗室到應(yīng)用

Licht把他的用太陽能生成一氧化碳和氫氣混合物的裝置叫作“太陽能燃?xì)?rdquo;，并表示自己的目標(biāo)是利用來自太陽的熱和電挑戰(zhàn)這一障礙。在發(fā)表于《尖端科學(xué)》期刊的文章中，他詳細(xì)介紹了所設(shè)計的裝置。該裝置利用一種叫作濃縮光伏太陽能發(fā)電技術(shù)的尖端太陽能電池，而電池可把大量太陽能集中到一個半導(dǎo)體板面上，然后把這些輸入能量的38%轉(zhuǎn)化成高伏特電能。這些電能隨后被分流至兩塊電化電池的電極：其中一組能量用來分解水分子，另一組用來分解二氧化碳。同時，電池中收集的其他剩余太陽能被用作熱能來源，用來將兩塊電池預(yù)熱至上千攝氏度，這一步驟可以減少分解水和二氧化碳分子所需的電能，大致可減少25%。Licht說，最終大約有50%的太陽能可以被轉(zhuǎn)化成化學(xué)物質(zhì)。

目前，尚不清楚通過這一過程合成混合氣體的成本是否像用天然氣混合氣體一樣低。但是Licht強調(diào)，2010年對他的太陽能水分子分裂設(shè)施的單獨成本分析結(jié)果是，如果花費2.61美元成本，可以分解出1公斤的氫氣——這一能量相當(dāng)于4升汽油。

考慮到其中的成本問題，Bocarsly和其他科學(xué)家試圖繼續(xù)在更低溫度的條件下分解二氧化碳。其中有一種方法已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。在冰島，一家叫作國際碳回收的公司在2012年開設(shè)了一家工廠，利用可再生能源合成混合氣體。該公司利用冰島豐富的地?zé)崮馨l(fā)電，然后用來驅(qū)動分解二氧化碳和水的電解機器。生成的合成氣體隨后被轉(zhuǎn)化成甲醇。

一切皆有可能

當(dāng)然，全球很多地區(qū)并不像冰島那樣擁有豐富的地?zé)崮軄眚?qū)動這一過程，為此，研究人員正在尋找能夠利用更少能量分解二氧化碳的新催化劑。這些催化劑通常位于負(fù)電極（即電化電池的兩個電極中含水的一邊）。在相反的電極，水分子被分解成電子、質(zhì)子和氧氣，氧氣在變成泡沫后融合到空氣中。電子和質(zhì)子會被傳送到負(fù)電子，在那里二氧化碳分子被分解成一氧化碳和氧原子，而氧原子和電子及質(zhì)子合并后形成更多的水。

目前，這種催化劑的最佳標(biāo)準(zhǔn)是“金”。上世紀(jì)80年代，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，用金制成的電極在低溫裝置中把二氧化碳分解成一氧化碳的效率最高。在2012年，斯坦福大學(xué)化學(xué)家Matthew Kanan和同事發(fā)現(xiàn)了一種更好的材料：把薄金層轉(zhuǎn)化成納米大小的晶體，然后用其制作電極。這篇發(fā)表于《美國化學(xué)學(xué)會期刊》的研究成果顯示，這種材料可以讓所需電量減少50%以上，并且讓催化劑的活性增強10倍。

然而，每公斤金的價格為3.6萬美元，大規(guī)模使用這種金屬過于昂貴。去年，特拉華大學(xué)化學(xué)家馮嬌（音譯）在發(fā)表于《自然—通訊》的研究成果中稱，利用銀納米顆粒制成的催化劑效果同樣明顯。今年，他們在發(fā)表于美國化學(xué)學(xué)會《催化作用》期刊的研究成果中，介紹了一種價格更加低廉、高效的分解一氧化碳催化劑：即利用小鋅釘制成的樹枝狀晶體。

當(dāng)前全球范圍內(nèi)的研究人員仍在探索其他的“富礦”：利用太陽能直接驅(qū)動二氧化碳和水低溫電解的方式。很多研究工作聚焦于吸光的半導(dǎo)體，例如利用鈦基二氧化碳納米管分解出一氧化碳、甲烷和其他碳?xì)浠衔?。到目前為止，類似的裝置效率仍不夠高；很多時候，它們僅能把不足1%的輸入太陽能轉(zhuǎn)化成化合物。Bocarsly和一些人曾利用太陽紫外線作出更好的結(jié)果。但是今年8月，在波士頓舉行的美國化學(xué)學(xué)會會議上，特拉華大學(xué)化學(xué)家Joel Rosenthal報告稱，他和同事已經(jīng)研究出一種鉍基光催化劑，可以使收集的6.1%的太陽能轉(zhuǎn)化成化合物。

盡管這些前沿技術(shù)在不斷推進(jìn)，但是Kanan警示稱，太陽能燃料和液態(tài)化石燃料并駕齊驅(qū)仍有相當(dāng)長的路要走，尤其是現(xiàn)在每桶油價格已下降至50美元以下。這阻礙了全球政府形成合力，對二氧化碳排量設(shè)置上限或是收取碳排放稅，因此如果單從價格上考慮，太陽能可能永遠(yuǎn)不能擊敗化石能源。“這是一項難以完成的任務(wù)。”Kanan說。

盡管如此，Kanan表示，有一天，如果可再生能源的應(yīng)用足夠廣泛，制造可再生燃料的技術(shù)也有所提高，那時人們或許才能沒有罪惡感地大量消耗能源，因為人們知道自己只是在燃燒太陽能。