随着能源紧张形势的愈发严峻,人们摆脱化石燃料依赖的紧迫感也愈发强烈。现在,人们正越来越多的使用可再生资源生产的能源,但如何满足相应的能源存储、运输方式等要求,是从业者面临的挑战。一个全新的理念引起了大家关注——像植物一样,将太阳能直接转化为燃料并储存起来,不再经过石油、生物燃料的过渡。

能源需求在不断增长。目前,全球消耗的能量有六分之一来自可再生能源——太阳能、风能、水、波浪、生物质和地热能。

但比重在增大

国际能源署在《世界能源展望》中预测:到2035年,我们用可再生能源发电的总量可达目前的3~4倍。同时,全球总能耗的四分之一将来自交通运输。由此可见,交通运输领域还有很大的发展空间。

在交通运输领域,情况却大不一样,可再生能源仅占所使用能源的3%。

对石油能源的依赖为何如此难以转变呢?因为它是以液态烃的形式存在,这类能源载体拥有诸多优点,很难被取代——存储能源的化学结构稳定、能量密度高、很容易在内燃机中高效释放等。另外,配套的基础设施也足够完备。

有哪些替代产品?

如何才能替换现在的燃油呢?生物燃料是一种选择,但它们存在一定矛盾。生物燃料是用商品作物(通常是玉米或甘蔗)制成的,而这些作物原本是食物。将来,我们可以通过培植微藻类、微生物或真菌(例如「微生物柴油」)而不妨碍粮食生产;或利用农林业的废品发酵出纤维素乙醇来获取能源。最常见的生物燃料是利用糖类发酵所获得的生物乙醇,以及有机油制成的生物柴油。

另外,还有电动车和燃料电池。而如何扩展到其它领域是它们的最大问题。如今,有将近一半的货运是通过飞机、重型货车或轮船完成的,这些交通工具很难实现电动化。替换掉全球的汽车可不是一项轻松的任务:在10亿多辆汽车中,约有十五分之一适用替代燃料。其中还包括了电动混合动力车以及纯电动车,它们仅占车辆总数不到1%(目前,电动车生产阶段所产生的环境影响要小得多)。找出一种可用于内燃机的非化石燃料自然可以大大促进车辆种类的转变。

太阳能燃料是很理想的:地球表面一小时所接收的太阳能相当于人类一年的能耗。现阶段将光电管直接安装在汽车上,效率远远不够。除了核能以外,太阳能是正确的选择。它被存储在化学键中——利用生物化石转变成石油、煤和天然气,或通过农作物。而这两种方式都是利用了光合作用。

自然和人工光合作用

在自然光合作用中,借助叶绿素分子,水与二氧化碳转变为糖和氧气。在植物所捕获的光能中,有一小部分转变为可被获取的生物质,大部分在暗反应中被植物本身消耗掉了。束缚能和光反应是非常高效的,能效达到了30%~40%,相比之下,现在的太阳能电池最多只有20%。

这一过程的驱动力是电荷分离:即隔离电荷的能力,而不会因为电荷重新结合释放出能量。当植物吸收光能时,释放出部分电子。瑞典目前正在大力研究人工光合作用。

利用一种混合锰离子的催化剂可以产生电子。锰从周围的水分子中获得电子。电子被转移后空气中二氧化碳便减少了,变成了碳水化合物(糖类)。

叶绿素离开了植物就失去了功效——但寻找一种能够模拟叶绿素的方案是一个不错的办法:仿效自然,尝试创造出人工光合作用,那么就能在光化学系统中制造出燃料。反应所需的材料几乎是用之不竭的——阳光和水,还有二氧化碳,不存在任何污染物。

瑞典在该领域正在进行大量的研究。不同的人工光化作用研究团队组成了联盟,他们大部分都在乌普萨拉的埃格斯特朗(Ångström)实验室进行这项研究工作。

目标:高浓度、完整而快速

人工光合作用有两个研究方向。一个是改变蓝藻细菌——它们在特定环境下可以自然地释放氢气,通过改变基因有希望提高这一特性。

另一个是生产出可以模仿光合功能的分子。用太阳能电池来电解水当然是一种办法,但能量转换效率不高。理想情况是创造一套人工体系:用一种综合的、极为光敏的分子结合催化剂使水氧化,从而产生氢气。

氢气可作为燃料——或用它制造其它燃料,利用费希尔-特罗普希法或其它化学反应制造合成烃。英国的Cella Energy公司宣称他们有能力压缩氢微粒,并以此为基础制造液态燃料。

叶绿素分子会逐渐被光线分解,因此,植物必须不断产生叶绿素进行补充。这也给人工光合作用的实施带来难题——需要一种稳定、不会过快降解的合成材料来替代叶绿素。

一些可以捕获阳光、分解水,然后产生氢气的人工叶子已经研发出来了。但像钌和钯这样的原材料过于昂贵,反应速率慢,无法商用。它们的成本还无法跟化石燃料竞争。

人工光合作用联盟试图将钌和锰结合制成催化剂,另外还有用二氧化钛或氧化钴来制造催化剂的其它试验。后者稳定而且充足,因此可行性更高。

最近,加拿大FireWater燃料公司宣称他们成功用一种由氧化铁构成的非晶形纳米材料制成了催化剂。

海市蜃楼

人工光合作用就像是一个复杂的高难度问题的集合。尽管实现这一目标还需进行大量的研发、试验,但我们已经初窥端倪。

向可再生能源过渡是一项艰巨的任务,尤其是在运输行业。让阳光直接变为民用能源是让人类眼前一亮的新点子、新思路,但对植物来说,这只是数亿年来一直在做的一件「小事」。这也给了我们一个启示:进一步深入研究自然法则,或许能找到一条通向节能型清洁燃料的捷径。

本文于2013年5月发布