利用陽光和空氣直接生產液態烴或甲醇燃料的裝置。
該裝置生產空氣燃料的簡易流程圖。
“雲裡銅烏風作籟，天邊金掌露成霜。”這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。
兩千多年後的今天，人們依然致力於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燃料、化學品和食物等；二氧化碳甲烷化技術，透過金屬催化，將二氧化碳轉化為天然氣，實現二氧化碳資源化利用。
今天，讓我們關注——
瞄向空氣中碳的轉化利用
有人可能會問：為什麼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裡的碳轉化為食物。
其次是從能量上看。供能所需的有機物都含有碳，而它們釋放能量後會變成二氧化碳散發到空氣中。如果把這些二氧化碳再轉化為儲能物質，就可實現碳中和，即碳的收支相抵，減輕溫室效應。
去年，中國科學家在實驗室中首次實現從空氣中的二氧化碳到澱粉分子的全合成，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，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液態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。
據頂級學術期刊《自然》雜誌報道，這種裝置在日常條件下執行，能在一天7小時的工作時間內生產32毫升甲醇。
眾所周知，自然界有一條重要定律，那就是質量守恆。物質在化學反應過程中，原子種類不變，數目不增不減，只是發生重新結合，從一種連線方式轉化為另一種連線方式。就像一個班級調換座位後重新劃分小組一樣，又進行重組，但班裡的人沒有變。
如果我們想要得到甲醇或其他液態烴類燃料，那麼製備它們的原料也應含有同樣元素，即碳、氫、氧。空氣屬於混合物，裡面含有氮氣、氧氣、稀有氣體、二氧化碳以及其他物質。其中二氧化碳約佔0.04%，水蒸氣和其他雜質約佔0.002%。
這就為以空氣為原料生產液體燃料提供了可能：經由空氣捕獲裝置收集和純化，可得到較為純淨的二氧化碳（純度98%）和水（汙染物低於千萬分之二）。
接下來的任務，就是把二氧化碳和水轉化為燃料。
鑑於直接轉化比較困難，一種權宜之計就是先把它們製備成合成氣，即氫氣和一氧化碳。這是製備許多化工原料的原料氣。這套實驗裝置採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。氧化產物二氧化鈰還可透過吸熱，還原為氧氣和三氧化二鈰，便於再次迴圈利用。
市面上，三氧化二鈰價格大約為1萬元/噸，稱不上昂貴，且可迴圈利用。合成氣一氧化碳和氫氣進入反應裝置後，生成目的產物液態烴或甲醇，也就是空氣燃料。
說到這裡，大家或許會想到，二氧化碳合成澱粉的路線裡，也有合成甲醇這一步，但那裡用的是氫氣還原，而這裡用的是三氧化二鈰還原。
“質”“量”兼優的能源利用方式
這條以空氣為原料製備液態燃料的路線，理論上可行，實際上是否行得通呢？
首先讓我們看一下產量。研究人員發現，該裝置在正常工作條件下一天執行7小時，透過連續17次氧化還原迴圈，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%，產生的甲醇純度為65%。
剩餘未轉化的合成氣經過6次迴圈轉化後，最終總摩爾轉化率為85%。一天執行7小時後，就得到了上述所提到的純甲醇32毫升。這個產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，這種裝置並非只生產甲醇，透過選擇具體的合成工藝，也可定製其他烴類燃料。
研究者認為，如果該項成果投入商業應用，將會創造巨大收益。例如，商業規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，系統總體效率為10%，那麼每天就可生產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，產量算是可觀，那麼這些燃料的質量如何呢？
我們和常規的航空燃料對比一下：目前生產航空煤油的常規方式是重油加氫裂化，產物中會不可避免地帶有含硫化合物、含氮化合物、稠環芳烴、重金屬等空氣汙染物。而透過該太陽能氧化還原裝置生產出來的噴氣燃料，透過燃燒測試表明，有害物質排放顯著減少。相比之下，優勢明顯。另外，石油屬於不可再生能源，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裡，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後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，在燃料製備過程中，能量大多來自太陽能，而後續燃料燃燒又可根據需要轉化為其他形式的能量。因此，這相當於間接利用了清潔能源。
面向未來發掘“清風”潛力
談到這裡，有人可能會質疑：為什麼不直接製備氫氣做燃料？這樣就不再產生二氧化碳了呀！
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；二是限於目前的儲氫技術，氫能在交通、家居等場景的普及還不現實。
其實，這項成果對未來最大的意義，並不是提供一個終極的能源生產方式，而是提供一個比較有價效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：基於當前太陽能燃料系統的工作效能，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平方米的佔地面積。假設系統總體效率為10%，那麼這樣一個太陽能燃料工廠每年將生產約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，所有太陽能發電廠的總佔地面積約為45000平方公里，相當於撒哈拉沙漠面積的0.5%。在人跡罕至的荒漠裡，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，太陽能燃料系統原料易得、環境友好、佔地面積並不大，似乎很容易推廣。而實際上面臨著諸多挑戰：太陽能熱化學燃料的初始投資成本很高，每升常規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，其在短期內並不佔優。
鑑於此，研究者拿出方案：呼籲政策支援，為第一代商用太陽能燃料發電工廠創造一個短期市場；實現自我提升，透過規模效應和流程最佳化，降低關鍵部件的生產成本，從而提升市場競爭力。
從質量守恆的角度來看，碳雖不會消失，但可轉化為一種有益的存在形式，不管是澱粉還是燃料。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，未來會出現更多脫碳途徑，各自發揮不同作用、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儘管很有洞察力，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，均取決於人類的想象力，這正是創新和改變的源泉。
（作者單位：中國科學院大學化學科學學院）（■趙俊博）
（解放軍報）
