液态太阳燃料——道法自然，变害为宝
2018/7/4 17:43:28 中科院大连化物所

    

     人类物质文明的发展在提供丰富物质的同时，过度消耗煤、石油、天然气等化石资源也带来了一系列环境生态问题。环境污染和生态环境的恶化已日趋严重，尤其是温室气体二氧化碳的排放导致气候变化、极端天气频发，直接威胁着与人类生存发展密切相关的地球家园的生态环境。我国是世界上最大的能源生产和消费国，也是世界上二氧化碳排放量最多的国家，面临着极其严峻的可持续发展的挑战和巨大的国际压力。

     我国政府在《巴黎气候协议》上承诺“将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值，并争取尽早实现，2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%到65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右”。除了要控制二氧化碳的排放量这一问题之外，能源资源不足也是全世界面临的又一难题。两个问题，一个太多，一个太少，于是科学家们开始思考如何利用绿色环保的方法，把过多的二氧化碳转作为原料来生产燃料，这样不仅可减少二氧化碳排放，还可获得新的能源资源，可谓变害为宝。

    

     液态太阳燃料合成及应用示意图

     什么是液态太阳燃料？

     液态太阳燃料是利用太阳能将二氧化碳变废为宝的产物，它的合成原理是利用太阳能将水和二氧化碳转化为甲醇等燃料，该过程可以循环利用水和二氧化碳，更加方便地将分散的太阳能长期储存和利用起来。由于甲醇是由太阳能而生产，太阳能以化学能形式储存在甲醇分子之中，所以把由太阳能转化二氧化碳和水合成的甲醇称为太阳燃料，又因为甲醇在一般情况下以液态形式存在，故将其称为液态太阳燃料。

     植物经过上亿年的进化，形成了复杂而高效的自然光合体系和光合作用机理：其光反应系统(PSII，PSI)利用太阳能实现水氧化放氧和高能物质(NADPH, ATP等)的合成，暗反应则在无光的条件下由生物酶催化利用这些高能物质转化二氧化碳合成碳水化合物。整个过程是通过光反应和暗反应的密切协同合作来完成的。而液态太阳燃料人工合成的第一步是太阳能分解水制氢，第二步将二氧化碳加氢转化为甲醇等燃料，这可谓“道法自然”的过程。

     甲醇是重要的化学中间体，以甲醇作为原料可进一步生产汽油、柴油，可以制取烯烃、芳烃等大宗化学品。因此，液态太阳燃料合成这一过程的实现，将会从根本上改变目前能源结构、减轻化工产业过度依赖化石资源的现状，形成新兴能源产业，重构能源版图，这对于根本上改善生态环境，拯救人类居住的地球家园具有重大而深远的意义。

    

     光合作用与人工光合成作用

     液态太阳燃料的挑战与机遇

     液体太阳燃料的生产是推动能源结构变革性变化的大胆尝试，这个过程不仅可提供清洁燃料，逐步减少了使用化石资源，而且将温室气体二氧化碳作为碳资源，是践行生态文明建设的一个重要举措。诺贝尔化学奖得主、美国南加州大学教授George Olah(乔治·奥拉)曾提出转化二氧化碳的“甲醇经济”理念，并在冰岛建立了世界首套示范装置，利用地热发电产生的电能进行电解水制氢，并与地热蒸汽中提取的二氧化碳反应从而生产出甲醇。但是，长期以来，一方面光催化分解水制氢效率尚不足以达到规模化应用；另一方面，二氧化碳转化面临更大的挑战：光催化、光电催化和电催化还原二氧化碳的活性和选择性低下，成为国际能源领域的难题。

     中科院大连化物所李灿院士团队在进行太阳能人工光合成太阳燃料的工作中提出将人工光合成过程分解为光催化、光电催化和电催化分解水制氢(利用太阳能)和用热催化二氧化碳加氢制甲醇等化学燃料。在解决水分解关键科学问题的同时，攻克发展二氧化碳催化加氢合成甲醇的核心技术，将这两个反应分而攻克之，然后耦合实现太阳燃料的规模化合成。

     该团队提出了实现规模化太阳燃料合成的工程技术路线，并于7月4日在兰州新区正式启动千吨级太阳燃料合成工业化示范工程项目，这将是我国首个规模化液态太阳燃料合成的工业化示范工程，具有重要的生态环境效应和应用前景。

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