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再造光合作用

帕萨迪纳—几十年来,可再生能源的开发——以及围绕这一话题的政策争论——大体上集中于发电。但全世界超过60%的能量由化学(主要是化石)燃料直接供应,并没有经过电能中转。只要是通过减少碳排放对抗全球变暖的现实努力,都无法绕过这一根本性约束条件。

事实上,在美国和其他工业化国家,许多依赖化石燃料的应用(如航空运输和生产铝)无法靠电能实现。此外,发电也需要化石燃料,这既是为了满足需求,也是为了克服风能和太阳能等可再生能源系统的间断问题。果真存在大规模的低碳替代方案吗?

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一个大有希望的方向是人造光合作用,该技术用非生物材料直接从阳光中生产燃料。太阳是几乎永不耗竭的能量源,而储藏在化学介质——如化石燃料——中的能量易得、有效、方便。人造光合作用以一种可靠技术结合了这些优点,能够带来能源安全、环境可持续性以及经济稳定。

自然光合作用为从阳光中生产化学燃料提供了复杂而优雅的蓝图,但其表现存在重大局限。太阳峰值能源中只有大约十分之一得到了利用,年化净能量转换效率还不足1%;大量能量被向内输入用于再造和维持复杂的光合作用分子机制;存储能量的化学燃料与现有能源体系也不兼容。

尽管如此,受大自然启发而生的人造光合作用仍显示出表现卓越的潜力,并有望生产能用于当前能源基础设施的能量形式。此外,完全人工的系统不需要占用适耕土地和饮用水,也不必被迫在将土地用于粮食还是燃料生产上做出选择。

现有能源技术已经可以结合起来用于从阳光中高效地(尽管是间接地)生产化学燃料,但同时实现实用、上规模和经济可行仍无法做到。类似地,充分一体化的阳光-燃料能源转换系统的总体效率可能比最有能量效率的生物系统高出十倍以上,但其商业开发的资本成本太高。因此,研究者的当务之急必须是开发结合了低成本伸缩性、鲁棒性和效率的太阳能燃料生产手段。

实现这一系统的关键是利用地球富裕的具有吸收光和促进燃料生成化学反应功能的物质。正如叶绿素在自然光合作用中吸收光一样,我们的人工系统也需要合适的物质捕获和转换太阳光。尽管硅的光吸收性质适合光伏设备,但其所产生近0.5伏电压太弱,不足以在太阳燃料生产装置中分离水。

人工系统还需要催化剂促进化学燃料的高效生产。这些催化剂必须具有高活性、稳定性和全球适用性,由地球富裕的元素(如硅、镍或钴)而非现在所用的稀有金属(如钌或铱)组成。

此外,系统的各个成分必须以确保它们全部能够在共同的作业条件下最优运转的方式整合。一套可行系统还必须具备成本收益比较高的设计、生产过程和安装方法。

最重要的是,这些系统必须安全运转。在大部分人工光合作用的实施中,富含能量的燃料与氧气一起生产出来,这意味着极高的爆炸风险。必须开发细胞膜或其他物理和化学隔离装置,从而以可靠的方式分离各种产品。有了这样的分离就不再需要复杂的外围处理设备在投入大部分应用之前对产品进行分离。

因此,人工光合作用系统会是怎么一副模样?其模式并非与电解单元相连的太阳能板,而是由类似塑料的夹层组成的薄卷,能够按需展开,很像防雨夹克所用的高性能纤维。顶层材料吸收空气中的水和二氧化碳,次层是光吸收层,利用太阳能生产燃料。在薄膜的分离下,燃料不会排放到空气中,而是透过材料底部进入收集器,以备现有能源供应基础设施按需使用。

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在理想状况下,太阳能燃料的生产能提供从阳光中生产的化学燃料的灵活性。在最简单的模式中,水被分解成氢气和氧气。氢气(比如)可以通过升级生物燃料转换为液体燃料,也可以与废气中的二氧化碳反应或经过处理生产液体燃料用于运输。或者,与自然光合作用系统一样,催化剂能直接减少二氧化碳——在这个例子中将二氧化碳转换为乙醇和甲烷。最有效的系统可以提供气态或液态燃料。

纳米技术、材料科学、化学和物理学的最新进展提供了在这方面取得快速进步的必要工具。最终的好处是摸得着的清洁技术,为我们提供安全、有保障、可持续的能源未来的基础。