工光合作用把二氧化碳变石油

  在最新一期的“Science Express”上刊登了这样一篇文章,探讨如何利用人工光合作用,将二氧化碳合成其他气体,以此减少空气中二氧化碳的浓度,并提供人类生产所需要的电能。这篇文章的作者来自美国二氧化碳材料公司Dioxide Materials Inc.和伊利诺伊大学化学工程与生物工程系。一直以来,人们都被二氧化碳电化学转化所需的超高电势所困扰。然而,这篇文章所介绍的做法的独特之处在于:创造一个电化学系统,只需要低电能就可以完成人工光合作用。

  减少空气中的二氧化碳,从而降低了温室效等不良的影响,此外,人工光合作用还利用二氧化碳创造了能源物质。它的独特之处在于,把太阳能和风能这种不利于储存的能量,转化成利于储存的能源物质,如合成气体、石油等。这样的研究实现起来有什么困难?什么是人工合成光合作用?转化是怎样完成的?它所提供的电能有什么用?这样的转化成本高不高?人工光合作用对环境有什么影响?带着这些问题,本报采访了有关专家。

  在自然界中,绿色植物的光合作用,以有机体吸收太阳光,靠金属配合物等催化剂将水和二氧化碳转换为糖,来维持绿色植物自身的生长。现在科学家们所做的人工光合作用就是模拟这个过程。目前使用太阳能的科技主要靠硅基太阳能板或太阳能薄膜发电。比如,太阳能电池则是通过光电效应(在光的照射下,物质内部的电子被光子激发出来产生电流)直接把光能转化成电能。这两种发电方式在环境、成本和转化率上都存在着问题。同时,如何储存这种太阳能,也存在瓶颈。人工光合作用的优势在于将太阳能转换为氢气、甲醇或乙醇等化学燃料,可以直接用在汽车等燃烧液态燃料的机械中。

  在整个光合作用过程中,光的吸收和催化很重要。人工模拟这两步也很具有挑战。光催化分解水制氢可以认为是化学科学领域的“哥德巴赫猜想”式的难题。自从20世纪70年代初,光催化制氢的研究成为全世界关注的研究方向。

  人工光合作用,是利用大自然中的太阳能生电能,再利用电能将二氧化碳和水转化成合成气体(一氧化碳和氢气)的过程。在自然界,自然光合作用的效率不足1%,而人工光合作用的理论目标是将转化率提高到20%以上。

  二氧化碳的电还原反应过程一直被认为是最重要的人工光合过程之一。在这个过程中,太阳能先转化为电能,电能再模拟自然光合作用中的光能,把二氧化碳转化成合成气体甚至有机化合物,以此有效地减少空气中二氧化碳的浓度,同时提供出人类生产生活所需要的能源。但是由于二氧化碳的电还原反应中往往需要过高的电能,且转化的效率比较低,这方面的研究一直处于瓶颈。对此,该课题的领导人,前伊利诺伊大学教授马克·梅尔斯说:“我们可以用一系列的太阳能板收集太阳能,再把太阳能转化为电能。这些太阳能转化的电能用于二氧化碳的电还原反应。”

  人工光合作用的大规模应用遇到一个致命的瓶颈——巨大的超电势。制造燃料的第一步——将二氧化碳转变为一氧化碳会耗费大量能量,需要大量超过平衡电势的电力才能使第一个反应进行,这也就是所谓的“超电势”。与得到的燃料所提供的能量相比,生产燃料所需的能量更多,得不偿失。文章的作者之一,伊利诺伊大学化工博士,现二氧化碳材料公司的研究人员朱薇补充说,以前的研究显示,当二氧化碳和水反应生成一氧化碳或者甲酸时,首先是要生成一种带负电的二氧化碳中间体,再由这种中间体转换为产物。生成这种中间体需要很高的能量,这也是为什么二氧化碳的转化一直需要很高的电能的原因。

  超电势就是实际所需的电势和理论计算所需的电势之差。超电势越高,表示完成电化学反应的阻力越大。所以,对于任何电化学反应来说,超电势越低越好。“当超电势高,电能的利用率就越低,因为有一部分电能要去对抗超电势,只有一部分能量能够转化为产物储存起来。电能的大小和电势,材料的导电性相关,当我们能减少超电势的时候,电能就会相应减少。”朱薇说。

  “第一步我们构建了一个电化学电池,用离子溶剂当电解质和助催化剂。”朱薇介绍,“以前一直有很多人在研究这个方面,但是他们都不可能达到我们所得到的极低的超电势。有人用水为基本的电解质溶液,这样也可以减少超电势,但是水对二氧化碳的溶解度很低,并不利于二氧化碳的转化。”Science上刊登的这个研究结果提供了一个有效地解决这个问题的方法。为了降低所需的电能,他们创造了这个以离子溶剂为电解质和催化剂的电化学系统。在这个系统中,水在正极上分解并释放出氢离子,氢离子渗透并且负极上的二氧化碳反应,产生一氧化碳。利用这个系统,二氧化碳只需要非常低的电能就可以转化为合成气体,为下一步的有机化合物的合成提供很大的便利。其中,合成气体的生产效率可以达到80%以上。

  “我们所用的离子溶剂对二氧化碳的溶解度很高,所以十分利于二氧化碳的转化。同时,我们的研究,不仅提供了可信的实验结果,同时,也提出了新的得出这种实验结果背后隐藏的理论。”朱薇介绍,利用他们的理论和系统,超电势可以降到离平衡电势只差0.17V,而前人的研究超电势可以达到1.5V。

  统计表明,我们每天消耗的能源中,85%来源于石油、煤矿、天然气等化学能源的燃烧。美国能源部称,20年后全球就将面临缺油情况。由此,风能、电能等清洁的可再生能源进入了人们的视线。虽然发电成本越来越低,但这些新能源都面临着一个巨大的短板——能量载体。由于无法存储大量的电能,这些可再生能源一直无法在重工业和交通领域中应用。由此,研究人员一直在研究如何将阳光转化成可利用的化学物质,如氢气、甲烷或汽油等。

  “我们研究的主要内容是二氧化碳的回收,储存以及利用。”朱薇介绍,由于生活环境中的二氧化碳增加,对全球气候变暖有恶劣影响,现在部分科学家提出高压储存二氧化碳,使二氧化碳液化,并且把液化的二氧化碳埋入海底。这种方法是很不可取的。如果储存在深海的二氧化碳一旦泄漏,海洋将会酸化,对海洋生态环境造成毁灭性的影响。同时,现在大部分的人都在提倡使用风能或者太阳能。可是,这方面的研究面临着极大的挑战,也就是风能和太阳能的储存问题。当没有阳光和风的时候,这两种能量是很难加以利用的。

  “为此,我们希望回收空气中的二氧化碳,并且通过太阳能或者风能产生的电能,将二氧化碳转化为重要的有用的能源物质。这样,太阳能或者风能的能量,就可以储存在能源物质这种实体之中,便于以后再利用。”朱薇介绍,“目前研究二氧化碳的转化的研究是比较多的,如改进各种各样的催化剂,或者辅助催化剂来实现。但是我们的想法之所以有新意,是因为我们不仅转化二氧化碳,同时也想把太阳能和风能储存起来。而且这种转化过程实现了能量的最大利用。”朱薇评价说,利用这个系统,二氧化碳只需要非常低的电能就可以转化为合成气体,为下一步的有机化合物的合成提供很大的便利。产生的合成气体可以再生产石油、柴油、乙醇、甲醇等工业原料。

  人工光合作用用于小范围的化学物供给和工业应用应该会于2015年实现。大范围的线年可以实现,这样就能符合2020年的碳排放标准。

  “现在大多数能源的利用率是低于30%的,我们的可以达到80%以上。由于转化率的提高,我们需要的能耗反而更低。” 朱薇介绍。但是上游的太阳能转化成电能的效率依然需要别人的研究实验来有所提高。(姜晨怡)

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