地球上的二氧化碳越來越多，它引起的溫室效應使兩極冰川融化、海平面升高，無時無刻不在危及沿海城市。
網路配圖
斯圖爾特•利希特(Stuart Licht)設計出了一台“終極再循環機器”。 他與同事們在喬治•華盛頓大學的實驗室里建造了台太陽能反應器，這貨可以從大氣中吸收二氧化碳(CO2)，也就是化石燃料燃燒後的副產物，並利用太陽能將其重新轉化為燃料。這個過程包括好幾個步驟，水也參與反應，並生成氫氣(H2)和一氧化碳(CO)，它們反過來可以生成液態烴燃料。利希特所設計的裝置是已有的同類設備中最高效的。
這個機器只是全世界的實驗室中逐漸成型的眾多太陽能科技之一。它們象徵了一個美好的願望：有一天人類可以不再依賴化石燃料，而是從陽光、空氣和水中獲取交通用燃油，並在此過程中部分消除之前依賴化石燃料而排放的CO2。
目前，這些計畫還沒達到對石油產業造成威脅的程度。在利希特的設計中，反應器的某些部分需在高達1000℃左右下運行，這個溫度實在是太高了，所以需要特殊材料來將設備組件固定在一起。研究人員也正在尋找其他解決辦法，如開發催化劑以使同樣的反應能在接近室溫的條件下進行，或通過太陽能或其他可再生能源發電來推動這些化學結合過程。
更大的困難在於成本問題。目前而言，石油很便宜，因此我們還沒有足夠的動力來使用高精尖而昂貴的替代品。但是鑒於氣候變化形勢嚴峻，而用太陽能將二氧化碳變為燃料這一概念看起來又足夠美好，全世界已經有眾多的科學家投入到太陽能燃料的研究中。“這是當前非常熱門的領域。”加州大學伯克利分校的化學家奧馬爾•亞吉(Omar.Yaghi)說道。而利希特的反應器證明，這些研究有著實打實的進展。“我們還沒有完全搞定，但正朝著正確的方向前進。”普林斯頓大學的化學家安德魯•博卡爾斯利(Andrew Bocarsly)表示，他也一直致力於開發低溫催化劑。
風力發電場、太陽能電站等可再生電能的平穩擴張，讓這項技術的簇擁者們甚至看到了其在經濟上可行的一絲希望。現在，風車與太陽能電站產生的電能有時候會供大於求，專家認為，如果這種供求過剩的電能可被儲存在化學燃料中，電力公司就能隨時隨地使用省下來的能源，順便還能在這方面獲得額外收入。
雖然我們對於氣候變化憂心忡忡，但是人類對於液體燃料的需求也不會就此消失。汽油和其他液態烴燃料因為具有高能量密度和易於輸送的特點，一直是世界交通基礎架構的支柱。研究人員繼續致力於將低碳可燃氣體(如甲烷和氫氣)用作運輸燃料，並且電動汽車數量也在迅速增長，但是對長途汽車、重型車輛以及飛機而言，並沒有比液體燃料更好的選擇。太陽能燃料的擁護者認為，若能通過易於獲取的原料如水和CO2製備這些運輸燃料，可極大減少日後CO2排放量。
冰島碳循環國際公司
該碳循環工廠位於冰島，由地熱能源驅動，可將二氧化碳轉化為合成氣，並最終轉化為甲醇燃料。
歸根到底，這就是燃燒的反過程，將能量從太陽能或其它可再生能源處轉移到化學鍵中。“這是非常具有挑戰性的問題，也是一場艱苦的戰鬥。”匹茲堡大學的化學家約翰•基思(John Keith)說道。這和植物自行合成生長所需的糖類差不多，但是植物只能將太陽能的1%轉化為化學能。為了能驅動起我們工業化的社會，研究人員需要做得更好，基思認為這一挑戰堪比將人類送上月球。
問題的關鍵在於，CO2是一種結構非常穩定而且不活躍的分子，化學家只能通電、加熱或二者雙管齊下強制它參與反應。此過程的第一步是奪去CO2中的氧原子以生成CO，之後由CO與H2製得合成氣，合成氣又可轉化為甲醇——這種液態酒精可直接使用或轉化為有價值的化學品與燃料。大規模的化工廠也這樣做，但其合成氣的原料不是源自大氣而是來自豐富又價廉的天然氣。因此，化學家面臨的挑戰是通過可再生能源來製備比傳統方法更廉價的合成氣。
利希特將他的機器製備的CO和H2的混合物稱為“太陽氣”(sungas)，他表示要直面傳統方法帶來的價格挑戰，從免費的太陽能中獲取熱能和電能。一篇發表在《先進科學》(Advanced Science)中的論文中詳細介紹了他的裝置，首先用到的是一塊高端商業型聚光太陽能電池。它將一大片太陽光聚焦到半導體面板上，在高壓下將入射太陽能的38%轉換為電能。接下來電能被分流到兩個電化學電池的電極上，一個電池電解水，另一個電解CO2。與此同時，陽光中剩餘的大部分能量被捕獲為熱能，並將這兩個電池預熱到數百攝氏度，這一步驟可以將分解水和CO2所需要的電量降低25%。利希特說，最終高達50%的太陽入射能量可轉化為化學鍵能。
目前還不清楚這一過程製備的合成氣是否比天然氣製備的合成氣要便宜。但利希特指出，根據2010年的一篇對於他2002年提出的太陽能分解水設備的經濟性評估報告，使用他的方法生產1公斤H2(相當於4升汽油的能量)的成本為2.61美元。
進一步降低成本對於利希特的太陽氣裝置而言有點困難。他的設備使用稀有且略貴的金屬鋰作為電解質，鋰的限量供應阻礙了大規模套用。利希特還面臨著來自其他研究人員的競爭，他們也通過高溫來加速水和CO2的分解，但都完全依賴電能加熱而不是太陽能。同太陽氣一樣，這些固態氧化物電解池方案，也面臨著在高溫下持續工作的挑戰。
儘管困難重重，博卡爾斯利和其他研究者們仍然試圖在低溫下分解CO2，其中的一種方法已經實現商業化。2012年，冰島一家名為國際碳循環(Carbon Recycling International)的公司設立了一座通過可再生能源生產合成氣的工廠。該公司利用當地豐富的地熱資源發電，以驅動電解裝置分解CO2和水，生成的合成氣之後被轉化為甲醇。
當然了，全球大部分地區都沒有冰島那樣豐富的地熱資源來驅動這一分解過程，因此研究人員正在尋找能用更少的能量來分解CO2的催化劑。這些催化劑通常分布於陽極——含水電解槽的兩個電極之一。在陰極上，水分子被分解為電子、質子以及氧氣。電子和質子被輸送到陽極，陽極上CO2分子分解為CO與氧原子，氧原子又與電子、質子結合生成更多的水。
現在，此類催化劑的“黃金標準”就是金屬金。上世紀80年代，日本科學家發現，在所有的將CO2分解為CO的低溫裝置中，金電極活性最高。隨後在2012年，史丹福大學的化學家馬修•卡南(Matthew Kanan)及其同事發現了更好的材料：據他們發表在《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)的報導，用一層薄薄的納米金晶體製備電極，可將所需電能減少50%，並把催化劑活性提高10倍。金微晶間的邊界可能有促進反應的作用。
黃金的價格約36000美元/公斤，對大規模使用來講仍然過於昂貴。去年，德拉瓦大學(University of Delaware ，UD)的化學家焦鋒領銜的研究團隊在《自然通訊》(Nature Communication)報導，納米銀粒子製得的催化劑效果同樣不錯。今年，他們在ACS Catalysis上報導稱，由鋅枝晶製備的催化劑在生產CO方面也非常高效，而且鋅枝晶更便宜。
價格更低的催化劑仍在研發中。例如，上個月據加州大學伯克利分校的研究人員報導，他們已經用中心含鈷和銅的有機環狀化合物製備出高度多孔的晶體材料。當這種多孔材料分層排布在電極表面，並浸沒在水溶液中時，它們每小時能將240000個CO2分子分解為CO——相比普通催化劑，這個速率實在是太瘋狂了。去年，卡南及同事們報導稱，銅納米晶體電極不需要經過中間的合成氣過程，就能以前所未有的效率直接合成各種更複雜的液體燃料，如乙醇和乙酸。
世界各地的研究人員同時也在拓展另一個方向：直接從太陽光中獲取能量來驅動CO2和水的低溫電解。大多數工作都圍繞著通過光吸收半導體(如二氧化鈦納米管)生產CO、甲烷或者其他烴類來展開。目前為止，這些方法的效率還是太差，通常只能將不到1%的入射太陽能轉換為化學鍵能。博卡爾斯利與同事們做得更好一些，他們使用的是只占光譜極少部分的紫外光。上月在波士頓舉行的美國化學學會會議上，德拉瓦大學的化學家喬爾•羅森塔爾(Joel Rosenthal)報導稱，他的團隊已經研發出一種基於鉍的光催化劑，可將6.1%的入射可見光能轉化為CO中的化學鍵能。
儘管這些方面都有所進展，卡南告誡說，要想與液體化石燃料競爭，太陽能燃料仍有很長的路要走，尤其是現在石油價格已跌破每桶50美元。除非全球範圍內共同努力限制碳排放，單就價格而言，太陽能燃料可能永遠無法替代石油衍生燃料。“這太難了。”他表示。
伊利諾伊大學香檳分校的太陽能燃料研究人員保羅•凱尼斯(Paul Kenis)認為，風能與太陽能的擴張給我們帶來了希望。比如，丹麥30%的電力來自風力發電場，在2020年有望達到50%。在七月的狂風大作的某天，這個國家的風力發電機產生的電力是全國電力需求量的140%，多餘電量還被輸送到鄰國——德國、挪威、瑞典。
但是供能過剩引起了公用事業部門的擔憂，在可再生能源發電的高峰期，電力的價值可能降為零甚至負數，因為電廠需要倒貼錢讓別人來買走多餘的電，不然其輸電網路會受到損害。
凱尼斯說，這就是太陽能燃料生產商受益的地方：通過吸收多餘的能量來生產燃料或其它產品，它們本質上就成為了一種能源倉庫，或許還能藉此賺點錢。目前而言，卡南認為用過剩的可再生能源電力代替化石燃料併入輸電網路仍然是最經濟合理的方案。總有一天，等到可再生能源普及得夠廣了，再加上相應技術的完善，我們就可以毫無顧忌地消耗燃氣了，因為我們燃燒的是陽光。
能源 二氧化碳 科技生活 溫室效應
