本文來(lái)自微信公眾號(hào)：返樸 （ID：fanpu2019），作者：李存璞
你聽(tīng)說(shuō)過(guò)液態(tài)陽(yáng)光嗎？為了更好的儲(chǔ)能減碳，中國(guó)科學(xué)家提出了一整套能源解決方案 —— 液態(tài)陽(yáng)光。把太陽(yáng)變成液態(tài)燃料，裝進(jìn)“瓶子”，即開(kāi)即用。
撰文 | 李存璞（重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授）
能源，這個(gè)詞匯有時(shí)會(huì)讓人覺(jué)得十分遙遠(yuǎn)，遠(yuǎn)到似乎只有在酒桌上說(shuō)起俄烏沖突才能拉進(jìn)我們與“能源”之間的距離；卻又與我們十分親密，親密到它是人類衣食住行的根基。
能源是現(xiàn)代社會(huì)的基石。我們用能源創(chuàng)造新的物質(zhì)，各類新材料的應(yīng)用讓人類的生活品質(zhì)日新月異；我們消耗能源維持體面的生活，空調(diào)、暖氣、汽車、烹飪等等，讓人類在任何嚴(yán)苛的環(huán)境中優(yōu)雅生活，便利出行；我們依靠能源上天入地，追逐星辰大海，克服萬(wàn)有引力的束縛和海水阻力的壓迫，發(fā)現(xiàn)更多的精彩。因此，無(wú)論對(duì)于個(gè)體或者國(guó)家，地區(qū)或者世界，未來(lái)的所有理想在很大程度上建立在充足能源的基礎(chǔ)之上。居安思危，因此有很多人希望獲得無(wú)窮無(wú)盡的資源。
1、太陽(yáng)能的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，成就了虛無(wú)與現(xiàn)實(shí)
地球的能源大部分來(lái)自于太陽(yáng)。如同《流浪地球》描述的一樣，太陽(yáng)的異變對(duì)于地球上所有的生命來(lái)說(shuō)都會(huì)是不可承受之重。按照目前普遍被接受的認(rèn)知，數(shù)億年前到數(shù)千萬(wàn)年前地球上的植物通過(guò)光合作用吸收太陽(yáng)光的能量，轉(zhuǎn)化為動(dòng)植物中的有機(jī)物，這些有機(jī)物經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜化學(xué) / 物理變化，轉(zhuǎn)化成了石油、煤、天然氣，成為現(xiàn)代社會(huì)主要的能源載體。
因此節(jié)能如此重要：打開(kāi)燃?xì)庠?，燃燒的不僅是甲烷，更可能是 7000 萬(wàn)年前自由奔跑的霸王龍噴出的“火焰”；開(kāi)車時(shí)一腳油門下去，氣缸中噴射的不僅是汽油，更可能是 2 億年前悠然漫步的大帶齒獸（Megazostrodon）的一個(gè)噴嚏。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為的石油、煤、天然氣，充滿著歷史的積淀，厚重而又珍貴，我們應(yīng)當(dāng)珍惜。
與此同時(shí)，石油、煤、天然氣這些能源的載體被轉(zhuǎn)化為電能這一能源，通過(guò)電網(wǎng)輸送至千家萬(wàn)戶，照亮了現(xiàn)代社會(huì)。電能的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用是能源應(yīng)用的重大變革，使得能量不再依賴載體（或“工質(zhì)，即實(shí)現(xiàn)熱、功轉(zhuǎn)換的工作物質(zhì)”）就可以被高效的利用。發(fā)電廠通過(guò)燃燒石油、煤、天然氣等能源載體獲得熱能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能，用一根電線，一股電流，就實(shí)現(xiàn)了把遠(yuǎn)古的太陽(yáng)能傳遞給當(dāng)代千家萬(wàn)戶的偉大成就，能量的輸送從未如此簡(jiǎn)單。
太陽(yáng)能的儲(chǔ)存始于數(shù)億年前，轉(zhuǎn)化為了實(shí)實(shí)在在物質(zhì)；這些累積的能量通過(guò)石油、天然氣管道，或者運(yùn)煤列車被送至世界各地，供給社會(huì)的方方面面，其中一部分實(shí)實(shí)在在的能量載體，被轉(zhuǎn)化為略顯虛無(wú)的電流，成就萬(wàn)千人類的夢(mèng)想。
2、當(dāng)下太陽(yáng)能的應(yīng)用，是可持續(xù)發(fā)展的希望
在能源方面，人類一直在啃老：啃從地球誕生以來(lái)所有逝去的生命的老。會(huì)有些羞愧么？盡管“我死之后，哪管洪水滔天”，但當(dāng)能源危機(jī)似乎沒(méi)有那么遙遠(yuǎn)的今天，我們不得不正視不太遠(yuǎn)的未來(lái)的能源來(lái)源。
太陽(yáng)依舊靠譜，只要它依然照常升起。每年地球從太陽(yáng)接收到的總能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類每年的消耗。如果可以將取之不盡用之不竭的太陽(yáng)能充分利用，能源問(wèn)題將不復(fù)存在。人們一直在努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。事實(shí)上，早已被廣泛采用的水力發(fā)電就是對(duì)太陽(yáng)能的間接應(yīng)用：太陽(yáng)將海水蒸發(fā)送往內(nèi)陸，下雨之后，小溪變成河流推動(dòng)發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)化為清澈的水電并入電網(wǎng)。（這或許是 Hi-Fi 用戶喜歡用“水電”的原因，雖然少了一些歷史的厚重，卻多了一些當(dāng)代的鮮活。）
但水電還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。人們發(fā)展了風(fēng)電、潮汐能發(fā)電等技術(shù)，進(jìn)一步利用間接的太陽(yáng)能；以及發(fā)明了各種太陽(yáng)能電池，將陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電能并網(wǎng)。但上述技術(shù)都面臨著間歇性的問(wèn)題：即它們依賴穩(wěn)定的風(fēng)、穩(wěn)定的潮汐、穩(wěn)定的光，但地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，以及復(fù)雜的地理環(huán)境，“穩(wěn)定”這個(gè)詞與暴躁的太陽(yáng)能矛盾的不共戴天。
可持續(xù)發(fā)展需要穩(wěn)定，我們要想辦法將每一天或許并不穩(wěn)定的陽(yáng)光累積起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)子孫后代的夢(mèng)想。
3、植物累積陽(yáng)光，卻太復(fù)雜
當(dāng)我們想到穩(wěn)定儲(chǔ)能的時(shí)候，植物早就想到了。事實(shí)上，植物的光合作用就是累積陽(yáng)光的過(guò)程，它們吸收 CO2，利用太陽(yáng)能把 CO2 還原為各種有機(jī)物，從而將陽(yáng)光儲(chǔ)存到了纖維素、淀粉、糖等物質(zhì)中，讓陽(yáng)光能量有了載體。所以在一定程度上，我們點(diǎn)開(kāi)支 * 寶，給 ** 森林累計(jì)一些能量，就已經(jīng)在為可持續(xù)發(fā)展積蓄力量。與此同時(shí)，我們也注意到光合作用可以吸收大量 CO2，這對(duì)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也有重要的貢獻(xiàn)。
所以多種樹(shù)不就行了么？種樹(shù)很好，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。一片森林中的樹(shù)木會(huì)老去，當(dāng)一棵樹(shù)老去的時(shí)候，它的呼吸作用所排放的 CO2 會(huì)超過(guò)其能夠固定的量 —— 也就是失去了它應(yīng)有的作用。當(dāng)然我們沒(méi)有資格要求任何生命有作用，但除了樹(shù)木會(huì)老去之外，植物光合作用所固定的太陽(yáng)能使用起來(lái)也十分困難。古代的“賣炭翁”已經(jīng)掌握了一定的進(jìn)階能源使用技巧：伐薪所獲得的柴火含水量高，單位重量能夠提供的能量低，用來(lái)燒烤烹飪不僅煙大，而且加熱緩慢，難以滿足地主家對(duì)食材烹飪外酥里嫩的追求，因此賣炭翁會(huì)先把“薪”燒制成熱值更高的“炭”進(jìn)行販賣，因?yàn)樘坑闷饋?lái)干凈又衛(wèi)生，且加熱快。
遺憾的是，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源的需求變得更加精細(xì)，植物光合作用所固定的太陽(yáng)能，轉(zhuǎn)化為了多種不同的化學(xué)物質(zhì)。而很多種化學(xué)物質(zhì)，意味著植物在應(yīng)用層面需要花費(fèi)大量的成本來(lái)提純 —— 比如我們?cè)蜎](méi)辦法直接應(yīng)用，將其分離成各類組分之后，才能撐起現(xiàn)代工業(yè)。那么，陽(yáng)光可以被“分解”儲(chǔ)存嗎？
4、簡(jiǎn)單點(diǎn)，累積陽(yáng)光的時(shí)候簡(jiǎn)單點(diǎn)
善于反向思維的科學(xué)家找到了新的突破點(diǎn)。既然煤、石油發(fā)電是把物質(zhì)儲(chǔ)存的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，輸送給千家萬(wàn)戶；那不如先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再儲(chǔ)存起來(lái)分發(fā)給用戶。但前面提到過(guò)，不管是直接的太陽(yáng)能還是間接的太陽(yáng)能，其間歇性限制了其推廣應(yīng)用。因此兩條路線被逐漸發(fā)展成形。一種在間歇發(fā)電裝置附近建設(shè)儲(chǔ)能電站，把不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)化為電池中的化學(xué)能，再并入電網(wǎng)進(jìn)行分發(fā)，即“太陽(yáng)能-電能-儲(chǔ)能-應(yīng)用”路線，簡(jiǎn)稱為“儲(chǔ)能路線”；而另一種，則是將不穩(wěn)定電能轉(zhuǎn)化為單一的、易于應(yīng)用的物質(zhì)，通過(guò)現(xiàn)有石油、天然氣、煤的分發(fā)方式進(jìn)行分發(fā)-發(fā)電-輸送，即“太陽(yáng)能-電能-物質(zhì)-應(yīng)用”路線，簡(jiǎn)稱為“液態(tài)陽(yáng)光路線”。
相比儲(chǔ)能路線，液態(tài)陽(yáng)光路線或許更加持久。儲(chǔ)能路線依賴于儲(chǔ)能電站的建設(shè)，電站的電池容量可以實(shí)現(xiàn)緩沖間歇電能并網(wǎng)的目標(biāo)，卻難以完成生產(chǎn)能源工質(zhì)、作為戰(zhàn)略能源儲(chǔ)備的任務(wù)。戰(zhàn)略能源儲(chǔ)備，要求即使在嚴(yán)重自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)、甚至是地球面臨毀滅等極端情況下，依然可以為設(shè)備提供能量 —— 用物質(zhì)而非電網(wǎng)供能，顯然更加可靠。
中國(guó)科學(xué)院白春禮、張濤、李靜海等人在 2018 年提出了液態(tài)陽(yáng)光（Liquid sunshine）的概念 [2]，為化石燃料枯竭的未來(lái)提供了一種可能的能源解決方案。所謂液態(tài)陽(yáng)光，是一整套的能源解決方案 —— 利用陽(yáng)光、水、CO2 生產(chǎn)性能穩(wěn)定、能量密度大、適應(yīng)國(guó)際運(yùn)輸和分發(fā)的液態(tài)醇類燃料，并通過(guò)液態(tài)醇類燃料的清潔轉(zhuǎn)化和排放 CO2 的重新循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn) CO2 的零排放。如圖 3 所示，液態(tài)陽(yáng)光不僅可以固定太陽(yáng)能與 CO2，更可以生產(chǎn)如甲醇、乙醇等單一化學(xué)物質(zhì)，通過(guò)現(xiàn)有的原油、天然氣輸送系統(tǒng)或分發(fā)路線進(jìn)行利用，能源轉(zhuǎn)換成本低而效率高，有望成為未來(lái)重要的能源載體。
單一化學(xué)物質(zhì)至關(guān)重要。如同前面提到的，現(xiàn)代社會(huì)建立在各種物質(zhì)的創(chuàng)造和能量利用之上，而創(chuàng)造新物質(zhì)和能量利用，都需要單一化學(xué)物質(zhì)，而非組成復(fù)雜的混合物。事實(shí)上，目前從混合物分離出單一物質(zhì)的能量消耗，占到了世界總能耗的 10–15%[3]。物質(zhì)越簡(jiǎn)單越利于應(yīng)用，這也是推廣垃圾分類的一大原因。因此，液態(tài)陽(yáng)光不僅可以作為未來(lái)的能源載體，更可能會(huì)推動(dòng)化學(xué)工業(yè)、材料工業(yè)等領(lǐng)域的革新與發(fā)展，形成從能量載體到物質(zhì)原料的多重身份。
5、不用等到未來(lái)的未來(lái)
盡管我們似乎每天都能聽(tīng)到關(guān)于可控核聚變又推進(jìn)一步的新聞或者傳言，但在心中引起的波瀾遠(yuǎn)比國(guó)六汽油的全面推廣、或者進(jìn)入加油站發(fā)現(xiàn)只有乙醇汽油來(lái)的風(fēng)輕云淡。
可控核聚變等先進(jìn)技術(shù)聽(tīng)起來(lái)十分科幻，但科幻的另一層含義可能是距離遙遠(yuǎn)，好像總差著 50 年。液態(tài)陽(yáng)光則務(wù)實(shí)很多，甚至簡(jiǎn)單到現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)稍加改造就可以利用液態(tài)陽(yáng)光生產(chǎn)的甲醇、乙醇作為燃料推動(dòng)車輛行進(jìn)。事實(shí)上，2020 年首套千噸級(jí)液態(tài)陽(yáng)光示范項(xiàng)目已經(jīng)落地 [4]，而 10 萬(wàn)噸級(jí)的工業(yè)化也正在實(shí)施過(guò)程中。當(dāng)我們憧憬于充滿科幻的未來(lái)時(shí)，化學(xué)家們也正在一步一步的把人類推向明天，以及明天的明天。
目前液態(tài)陽(yáng)光的研究和應(yīng)用的難題，在于如何高效的把 CO2 加氫-脫氧還原為醇類分子。CO2 中本身是非極性分子，反應(yīng)活性較弱，但人們可以在電極上較為高效的把 CO2 上加上一分子的 H2，從而獲得甲酸（HCOOH）。但甲酸能夠提供的能量十分有限，如何進(jìn)一步的從甲酸分子脫氧加氫獲得甲醇（CH3OH），才是目前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)?？赡艿耐黄坡肪€一方面包括利用催化劑的設(shè)計(jì)來(lái)拔掉氧原子，另一類則考慮向生命體學(xué)習(xí)，模擬光合作用等生物過(guò)程實(shí)現(xiàn)拔氧脫氫的效果。事實(shí)上，在這些研究的當(dāng)中，人工智能早已經(jīng)在發(fā)揮作用，畢竟從已有的人類知識(shí)篩選最佳的催化劑 / 生物催化路線，合理而又高效。
但突破性的發(fā)展還不能僅僅依賴人工智能，畢竟所謂“突破性”，本身不就往往意味著脫離傳統(tǒng)套路么？化學(xué)家的奇思妙想的努力已經(jīng)逐漸把我們推向未來(lái)，而也正因?yàn)檫@些努力，使得在面對(duì)災(zāi)難、戰(zhàn)爭(zhēng)的時(shí)候，我們才不會(huì)在能源層面受制于人，也不會(huì)被人說(shuō)“什么檔次，用的和我一樣”。
那么在氦閃之前，讓我們干了這杯液態(tài)陽(yáng)光。
參考文獻(xiàn)
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Megazostrodon
[2] Shih C F, Zhang T, Li J, et al. Powering the future with liquid sunshine[J]. Joule, 2018.
[3] Sholl, D., Lively, R. Seven chemical separations to change the world. Nature 532, 435–437 (2016). https://doi.org/10.1038/532435a
[4] 千噸級(jí)“液態(tài)陽(yáng)光”合成項(xiàng)目示范成功-2020 年 [EB / OL].(2021-01-08) [2022-12-23]. https://www.cas.cn/ cg / cgzhld / 202101 / t20210112_4774334.shtml
后記：?@ChatGPT，你對(duì)液態(tài)陽(yáng)光的發(fā)展怎么看，它會(huì)改變能源領(lǐng)域嗎？
ChatGPT：我對(duì)液態(tài)陽(yáng)光的發(fā)展看好，它會(huì)給能源領(lǐng)域帶來(lái)很大的改變。它不僅可以替代傳統(tǒng)的能源，而且還可以在太陽(yáng)能電池中提供更高效的能源轉(zhuǎn)換。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。