液態太陽燃料——道法自然，變害為寶

人類物質文明的發展在提供豐富物質的同時，過度消耗煤、石油、天然氣等化石資源也帶來了一系列環境生態問題。環境污染和生態環境的惡化已日趨嚴重，尤其是溫室氣體二氧化碳的排放導致氣候變化、極端天氣頻發，直接威脅著與人類生存發展密切相關的地球家園的生態環境。我國是世界上最大的能源生產和消費國，也是世界上二氧化碳排放量最多的國家，面臨著極其嚴峻的可持續發展的挑戰和巨大的國際壓力。

我國政府在《巴黎氣候協議》上承諾「將於2030年左右使二氧化碳排放達到峰值，並爭取儘早實現，2030年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降60%到65%，非化石能源佔一次能源消費比重達到20%左右」。除了要控制二氧化碳的排放量這一問題之外，能源資源不足也是全世界面臨的又一難題。兩個問題，一個太多，一個太少，於是科學家們開始思考如何利用綠色環保的方法，把過多的二氧化碳轉作為原料來生產燃料，這樣不僅可減少二氧化碳排放，還可獲得新的能源資源，可謂變害為寶。

液態太陽燃料合成及應用示意圖

什麼是液態太陽燃料？

液態太陽燃料是利用太陽能將二氧化碳變廢為寶的產物，它的合成原理是利用太陽能將水和二氧化碳轉化為甲醇等燃料，該過程可以循環利用水和二氧化碳，更加方便地將分散的太陽能長期儲存和利用起來。由於甲醇是由太陽能而生產，太陽能以化學能形式儲存在甲醇分子之中，所以把由太陽能轉化二氧化碳和水合成的甲醇稱為太陽燃料，又因為甲醇在一般情況下以液態形式存在，故將其稱為液態太陽燃料。

植物經過上億年的進化，形成了複雜而高效的自然光合體系和光合作用機理：其光反應系統（PSII，PSI）利用太陽能實現水氧化放氧和高能物質（NADPH, ATP等）的合成，暗反應則在無光的條件下由生物酶催化利用這些高能物質轉化二氧化碳合成碳水化合物。整個過程是通過光反應和暗反應的密切協同合作來完成的。而液態太陽燃料人工合成的第一步是太陽能分解水制氫，第二步將二氧化碳加氫轉化為甲醇等燃料，這可謂「道法自然」的過程。

甲醇是重要的化學中間體，以甲醇作為原料可進一步生產汽油、柴油，可以製取烯烴、芳烴等大宗化學品。因此，液態太陽燃料合成這一過程的實現，將會從根本上改變目前能源結構、減輕化工產業過度依賴化石資源的現狀，形成新興能源產業，重構能源版圖，這對於根本上改善生態環境，拯救人類居住的地球家園具有重大而深遠的意義。

光合作用與人工光合成作用

液態太陽燃料的挑戰與機遇

液體太陽燃料的生產是推動能源結構變革性變化的大膽嘗試，這個過程不僅可提供清潔燃料，逐步減少了使用化石資源，而且將溫室氣體二氧化碳作為碳資源，是踐行生態文明建設的一個重要舉措。諾貝爾化學獎得主、美國南加州大學教授George Olah（喬治·奧拉）曾提出轉化二氧化碳的「甲醇經濟」理念，並在冰島建立了世界首套示範裝置，利用地熱發電產生的電能進行電解水制氫，並與地熱蒸汽中提取的二氧化碳反應從而生產出甲醇。但是，長期以來，一方面光催化分解水制氫效率尚不足以達到規模化應用；另一方面，二氧化碳轉化面臨更大的挑戰：光催化、光電催化和電催化還原二氧化碳的活性和選擇性低下，成為國際能源領域的難題。

中科院大連化物所李燦院士團隊在進行太陽能人工光合成太陽燃料的工作中提出將人工光合成過程分解為光催化、光電催化和電催化分解水制氫（利用太陽能）和用熱催化二氧化碳加氫制甲醇等化學燃料。在解決水分解關鍵科學問題的同時，攻克發展二氧化碳催化加氫合成甲醇的核心技術，將這兩個反應分而攻克之，然後耦合實現太陽燃料的規模化合成。

該團隊提出了實現規模化太陽燃料合成的工程技術路線，並於7月4日在蘭州新區正式啟動千噸級太陽燃料合成工業化示範工程項目，這將是我國首個規模化液態太陽燃料合成的工業化示範工程，具有重要的生態環境效應和應用前景。

來源：中國科學院大連化學物理研究所

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