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2022-2023

李灿:绿色氢能和液态阳光甲醇 |2022年·第1期
发布时间:2022-02-25    5027   

内容来自墨子沙龙线下活动(2022年2月),演讲者是中国科学院大连化学物理研究所李灿院士。

演讲者:李灿 (中国科学院大连化学物理研究所)

演讲时间:2022年2月


目前举国关注的一个事情就是实现“双碳”目标,“双碳”目标已经变成我国发展的一个重大战略。今天的报告,主要和大家分享一下绿色氢能和液态阳光甲醇如何在实现“双碳”目标的过程中发挥作用。


我的报告主要分为三个方面:全球气候变化怎么影响我们人类的生存发展,温室气体排放和气候变化是什么样的关系;怎么来实现“碳达峰,碳中和”,我们通过绿色氢能和液态阳光甲醇样的策略,对减排能不能有贡献;这个领域的一些科学和技术方面的挑战。


 全球气候变化影响人类生存发展,温室气体排放与气候变化是什么关系?

先讲第一个问题,气候变化与我们生存发展的关系。

人类过度使用化石资源造成全球气候变化,例如大气污染、冰川融化、雾霾天气形成、荒漠化、极端天气频发等。

这种气候变化导致了生态失衡,引起了冰川融化加速,进而使得海平面上升。厄尔尼诺现象与以前相比变得越来越频繁。海啸、洪水、干旱、蝗虫等现象,在过去是比较少见的,现在变得越来越多,生物灭绝的速度也在加快。更可怕的是,现在有科学家发现,由于大气温度的上升,使得一些冰川冻土复苏了,远古时期掩埋在冰川冻土中的病毒也在复苏。这种现象以后会变得越来越严重。

犹记得去年(2021年)多地突发了历史性罕见的气候灾难,山东、湖北、湖南、四川、河南、山西都发生了暴雨。拿郑州来举例,郑州24小时降雨量是500毫米。500毫米是什么概念?相当于北京一年的降雨量。一年的降雨量一昼夜降到郑州这个城市,这种现象是极端少见的。

大家还听说过白银市的马拉松比赛吧,突然就在景泰县发生了极端天气,十多个运动员当时就失去了生命,令人扼腕叹息,这是非常可怕的事情。当然不光中国,世界各地都有这样的现象,比如欧洲暴雨洪灾。西欧国家一般是风调雨顺的,竟然也发生了大面积的洪灾,死伤数百人,失踪数千人。还有美国得克萨斯州的大雪,造成了大面积停电,数十万户被困。北美的热浪热死了几百人,上亿的海洋生物在海滩上死亡,令人触目惊心。

另外,全球到处是森林火灾,例如希腊、美国、澳大利亚。澳大利亚的火灾使得很多可爱的动物,比如袋鼠、考拉,都活活烧死了。这些现象在气候史上是上千年都没有记录的,是非常罕见的气候灾难。这些灾难的造成就是因为气候变化。

2021年是非常特殊的一年,以上给大家举了一些例子。其实在2020年、2019年、2018年已经有很多罕见的灾难发生了,全世界都要提高警觉度。

2018年,联合国IPCC——一个国际气候组织,向全世界发布了警告,必须要采取行动了。到2030年前,一定要把温度上升控制在1.5度之内。但是根据2018年的情况来看,很难控制在这个范围的,因为在过去的十年里面,气候变化导致灾难的频次加快了很多。

全球变暖速度如果像现在这样下去,全球气温在2030年的升高将难以控制在1.5度以内,如果到了1.5度——哪怕多升高0.5度,造成的灾难也是不可想象的。

还有很多关于地球生态恶化导致生物物种灭绝速度加快的报道,每年有成百上千的物种在灭绝,2022年7月21日,存在1.5亿年的长江白鲟被正式宣布灭绝!这些物种的灭绝实际上给人们一个非常大的警示:人类也是生物物种的一类,等到其他各种物种纷纷灭亡,人类生存的时间还有多少呢。


为什么会有这么大的变化?看看地球大气二氧化碳浓度的变化,就能看到一些情况。

地球大气二氧化碳浓度的变化

二氧化碳浓度,在远古时代——大概离现在几十亿年的时候,也一直在变,但是到了离现在大概五亿年左右的时候,二氧化碳浓度慢慢变成一个平衡稳态的情况。同时,氧气浓度也是这样。现在空气中氧气浓度大约是21%,大概也是在五亿年前左右慢慢达到平衡。但是到了大概两百多年前,工业革命开始了,二氧化碳的浓度又开始上升了,而且上升的速度非常快。

实际上,人类出现在地球上的一个原因就是:大概100万年以前,地球上的二氧化碳浓度和氧浓度,达到了一个平衡。这个稳态的条件是人类出现的一个条件,但是现在我们把平衡破坏了,这样就直接危及人类的生存发展。看看最近四五十年的记录,这些数据是非常准确的:1975年到现在,排放到大气里面的二氧化碳就翻了一倍。工业革命以来,排放到大气的二氧化碳浓度不断的积累,特别是最近几十年,上升的速度加快。

1975-2015年全球能源相关的二氧化碳排放量变化趋势



温室气体认识过程




人们认识到二氧化碳对大气影响的过程,实际上是一个很慢的过程。科学家在上世纪50年代以前就预测,大规模把二氧化碳排到大气里,一定会影响大气的气候变化。这并没有引起人们的关注,毕竟没有直接的证据来证明。

先知先觉的科学家把这个问题提出来以后,有很多争论。直到1980年以后,大家才开始真正关注,越来越多的观测数据显示,空气里面的二氧化碳浓度的确是在上升,而且跟一些气候变化现象是能够关联起来的。到了1992年,《联合国气候变化框架公约(UNFCCC)》才明确指出:二氧化碳有温室效应。不光二氧化碳,甲烷也有温室效应。这两种气体也是排放到大气里面最多的两种气体,对温室效应是有影响的。到了1997年,有一个国际上很有名的协议,叫《京都协议书》,明确了不光二氧化碳、甲烷,还有氧化亚氮以及三种含氟的气体,它们都对温室效应是有贡献的。其中,二氧化碳占78%,甲烷17%,其他5%。甲烷虽然量少,但甲烷和氧化亚氮的温室效应是二氧化碳的几十倍。所以这些气体的控制也是非常重要的,当然最主要的是二氧化碳。

大气中二氧化碳浓度和地球表面气温变化

二氧化碳跟地表温度的关系也是最近这些年才越来越确定的,因为以前观测的数据也不可靠。大气里二氧化碳浓度,从二战后(1945年)开始,就明显在上升。1945年之前,虽然地表温度在缓慢上升,但是时高时低,所以大家有争论。1945年以后,特别是1960年代之后,人们的数据越来越可靠,从数据可以看得出上升的斜率是明显在提升的。特别可怕的是最近10—20年,上升斜率变大了。这对人类的警示是很明显的。


地球是太阳系八大行星里距离太阳的第三颗行星,我们很幸运地生活在地球上,为什么地球这么特殊?到现在为止,太阳系里其他星球上都没有发现生命物种。在金星和火星这两个星球上做了很多测试,到现在都没有发现生命的迹象。所以在地球上出现生物,特别是出现人类,是一个极小的概率事件。我们应该非常珍惜和保护人类赖以生存的地球家园。



地球,大气层,生态平衡



地球直径大概一万多公里,它的大气层有400公里,保护着地球上的各种生物,包括人类。但是这一层大气非常脆弱、非常多变。


从物理学、化学的角度来看,为什么地球上能保持一定的生物?因为太阳照到地球上的能量,跟地球耗散到外面的能量之间有一个小小的差值,这个小小的差值就维持着地球上的温度,也恰好是人类可以生存的温度。如果改变了大气层的成分,进来的能量跟出去的能量的平衡就打破了,地球表面的温度就会发生变化。维持地球生态平衡最好的一个做法就是不要剧烈地去改变大气层。


中国先秦思想家老子,在2500年前已经洞悉到这样的自然规律。他讲不出现在的热力学公式,但已经悟出人类要道法自然、无为而治。无为而治的一个解读就是不要去改变,自然是什么样就是什么样,但是我们现在做不到。人类社会从工业革命之后,物质文明发展得非常快,这就不可避免地要破坏大气层。然后就得想办法来补救,怎么让大气层的二氧化碳浓度降下来。



生物和人类进化过程


生物进化跟大气浓度、大气组成是密切相关的。大概四十亿年前,在地球上就开始有各种简单的生物物种,蓝细菌、藻类……然后,开始出现动物,直到大概距今几百万年前的时候,人类出现了。那个时候,大气浓度就已经变得非常平稳了。在浓度波动剧烈的时候,是不大可能出现人类的。

大家注意到上图有一个点,大气浓度有一个剧烈波动,这就是恐龙时代。恐龙出现在距今6500万年到1亿年间。这个时候因为地球上光合作用非常茂盛,氧气浓度非常高。突然发生了一个变故——气候变化。对这个变化有各种解释,传播最广的说法是:外来星球撞击地球以后,大大改变了地球表面的气候。于是恐龙就不能生存,大规模灭绝了。恐龙是在很短时间内就灭绝了,此时,在地球上有一个相应的气候变化,就是氧气浓度的变化。


到了气候变得非常稳定平衡的时候,人类才开始出现。就好像要生个孩子,把各种条件都准备好,孩子才生下来。条件没有准备好,人类生不下来,生下来也没法养活。人类出现的时候也是这样。大气环境已经具备了这样的条件,所以才开始有人类的出现。



为什么要实现”碳达峰。碳中和“目标,如何通过绿氢和液态阳光解决碳排放?


世界各经济体共同应对气候变化


我们今天讲的“碳达峰,碳中和”,实际上就是为了拯救自己的地球家园所采取的行动。这是一个全世界都关注的问题。最近这些年,大概每年都有一次全球性的气候变化大会。最成功的一次大会是2015年巴黎的气候大会,通过了《巴黎协定》,全世界178个国家签署了这个协定。过去的气候大会,大家也注意到了问题,但是谈不拢,各个国家的认识不一样,都站在自己国家经济发展的角度考虑,都不愿意承担减排二氧化碳的责任。

原因是什么?减排二氧化碳是要付出代价的,工业是要受到影响的。巴黎气候大会是比较成功的一次,大家共同坐下来,为了自己的地球家园,每个国家都应该承担一些责任。但责任的量,根据国家经济发展的不同,是有区别的。大会提出的目标是把全球平均气温升高的幅度,在本世纪末,就是到2100年,控制在2度之内。最好在2050年之前控制在1.5度之内。这是一个非常低的要求,现在看样子很难控制在这个要求之内。如果能控制到这个范围,可能人类还会取得一些技术进步,能够补救人类在地球上生存的条件,有可能人类还能够很好的发展,所以温室气体的控制就变成一个非常重要的国际性目标。

巴黎气候大会之后第二年的4月22日(世界地球日),在联合国总部,大家签署协议,中国政府也非常积极地签署了协议。这次巴黎气候大会之所以办得很成功,与中国政府的努力是分不开的。原来发展中国家的责任要小一点,所以发达国家跟发展中国家争论得很激烈。发达国家有钱,也不乐意出钱,他们认为发展中国家,尤其是中国、印度,排放了那么多二氧化碳,应该承担更多责任。过去我们跟他们争论,我们人多,排放二氧化碳多是应该的。而且中国是后发国家,英国是200多年前就开始排放,中国是最近几十年排放才多起来等,争论的很厉害。

但是这次会上,中国政府做了一个非常好的表态,没有再去争论,中国要承担责任,积极主动的表现促成这次大会上大家达成了一个共识。

这是中国作为负责任大国向全世界做出的非常有表率意义的一件事情。在气候这一领域,中国站在了道德制高点,因而受到各个国家的尊重。

不光在会议上表态,我国也有具体行动。2020年9月22日,我国在联合国一般性辩论大会上庄重承诺,中国在2030年之前要争取碳达峰,2060年之前努力要做到碳中和,而且还提出来具体的一些技术指标。到了2030年,非化石能源在一次能源的消费比要升到25%左右,现在大概是15%左右。当时提出来这样一个指标以后,国内国际上都非常关注。世界非常关注中国的这个承诺是不是能兑现。

国内很多人觉得这个任务太重了, “碳达峰,碳中和”对于中国来讲压力太大了。但是中央对这个问题的认识是非常清楚的,所以指出来 “碳达峰,碳中和”是我国自己高质量发展的战略。不是别人让我们做,而是我们自己必须要做。我们需要循序推进,持续发力。而且把这样的一个行动,跟秉持人类命运共同体理念、构建合作共赢的全球气候治理体系关联起来,站位是非常高的。

这个任务非常艰巨,非常紧迫。为什么说非常紧迫?2030年前碳达峰,时间还不到十年,2060年之前碳中和,时间还不到40年。40年是非常短的一个时间,西方国家都是七八十年才实现碳达峰、碳中和。这么短的时间,就非常需要实现碳达峰、碳中和的切实的技术路径。

怎么做?科学家是要负起责任的。在这个时候怎么来发挥我们的作用,来提出比较好的切实可行的技术路径来解决问题?


碳达峰与碳中和    


碳达峰、碳中和是什么意思?

碳达峰是指碳排放现在还是很高,期望在2030年前达到峰值,之后排放量就越来越少。

碳达峰不是目的,碳达峰是举措,目的是碳中和。碳排放的量和想办法减排二氧化碳的量相等的时候,就叫碳中和。在碳中和的时候,依然是在排放,只不过这个时候是一个净零的排放。

这是一般意义上讲的碳达峰、碳中和,现在社会上大家都在讲“双碳”,指的就是碳达峰、碳中和,还有一个讲法叫“2030”“2060”。

我国二氧化碳的排放是什么情况?我国很大一部分的二氧化碳排放来自发电——火电。火电主要靠煤和天然气,而我国主要是靠煤,要排放接近50亿吨以上的二氧化碳,占整个国家二氧化碳排放的45%。降低这部分二氧化碳排放对我国而言是很困难的一件事情,因为我国主要靠煤发电。交通领域,以及煤化工、冶金、水泥、石油化工等等基础工业,加起来大约60亿吨二氧化碳排放,占比将近55%。

总排放超过100亿吨二氧化碳,100亿吨二氧化碳是什么概念呢?全世界排放的总量是400亿吨,我们一个国家就占到了1/4多,而且算下来人均也是全世界第一。现在人均高过世界平均值,这就使得我国压力很大。

2019年主要国家能源强度和碳强度

另外可以通过单位GDP的能耗和单位GDP的碳排放来看看我国的生产质量。可以看出,美国、德国、日本、法国、英国、意大利这些发达国家的工业非常先进。我国这两个值比世界平均值还要高,说明我国的经济发展是粗犷的。


碳中和对于中国的意义     



可见碳达峰、碳中和也是高质量发展的要求,我国需要对工业进行脱胎换骨的改造。这就使得GDP的质量要提升,而不是靠耗那么多煤、那么多能量来提高GDP。要在低能量消耗的情况下,仍然能够让经济发展得很好。

碳达峰、碳中和对中国的意义是非常重大的,不仅仅是为了简单地减排二氧化碳,更是为了人类未来。中国一直在提倡人类命运共同体的概念,我们希望全世界共同来发展,中国不是为了自己,是为了全世界人类的未来。不光是对这一代人,更多的是为下一代人。这个概念是非常重要的,这就使得西方国家对于中国的制裁与围堵,慢慢失去它的理由。

中国是负责任的大国,中国人口占到世界人口的20%,把气候治理好,不光是为了全世界好,首先是对我国自己14亿人口的生存有好处。拯救保护地球家园,是中国人自愿要做的事情,不是别人要求我们做的事。14亿人口,首先把自己的事情要做好。

这是深思熟虑后提出的国家战略决策。它不是一拍脑袋、一时心血来潮提出来的,是经过深思熟虑以后提出来的。开弓没有回头箭,这个事情一旦提出来,一定要做下去。它关系到我国高质量发展,是第三次工业革命后,我国与发达国家竞争的新机遇、新起点。这个机遇对中国来讲非常重要。



解决碳排放的路径     



那么怎么来解决碳排放这个问题呢?我这里给大家举现在比较共识的一些路径。

路径之一  要发展光伏、风电等清洁能源来逐步替代火电。现在中国使用的所有能源里面,煤、石油、天然气占到80%以上。到了2050年、2060年的时候,把这种化石能源降得很低,降到30%以下,清洁能源要上升到70%以上。清洁能源包括太阳能、风能、核能等。

路径之二  交通领域,发展氢燃料电池、电动车,新能源车逐步替代燃油车。新能源车的反应过程是氢和氧气反应生成水、放出能量的过程,放出的能量就可以通过化学能到电能,然后来驱动氢燃料电池发动机。它排放出来的是水,水是清洁的,对人类是友好的。所以,如果把燃料车、燃料油的能源变成氢能,就会很大程度上降低交通领域的碳排放问题。

路径之三   水泥、电石等行业,是不得不排放二氧化碳的。比如说水泥是怎么做出来的,水泥就是氧化钙,碳酸钙在高温下分解成氧化钙和二氧化碳。现在大家提出来碳捕获封存。工厂里的二氧化碳排放,进行捕获分离,然后进行纯化,压缩运输到某一个矿井里面去。还有人希望把这个东西埋在深海里面。

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路径之四   上述的三种途径都可以一定程度上解决碳排放问题。从源头上还有一些更好的技术——绿氢源头上来替代灰氢。现在经常讲氢有灰氢、蓝氢、绿氢。什么叫灰氢?就是煤、天然气这些化合物,它可用来制氢,制氢的过程一定要排放二氧化碳。但是蓝氢,把氢拿来用,二氧化碳捕捉,再把它封存起来,这样的氢就叫做蓝氢。最理想的是绿氢,就是水的分解,水分解制氢过程不排放二氧化碳,是通过光催化、电催化、光电催化、电解水来制氢。这是比较理想的绿氢。

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如果有了绿氢,源头上就可以解决一些二氧化碳排放的问题,比如说炼钢行业、冶金行业。钢铁行业排放二氧化碳是不可避免的。我国炼钢行业、冶金行业排放的二氧化碳占到13%。这是一个特别头疼的事情,而且我国炼钢行业的规模、产能是世界上最大的。

如果有了绿氢,氢和铁矿石反应,生成金属铁然后放出水,不是放出二氧化碳。这就是一个非常理想的过程。这叫氢冶金,氢冶金现在国际上非常关注,我国也正在发展氢冶金,关键是得有氢。

解决二氧化碳问题还有更好的一些思路。大概在十多年前,著名科学家乔治·奥拉提出了一个思路二氧化碳不能简单地看作是温室气体是废物,它是一个有用的资源因为二氧化碳是碳资源,人类社会的很多材料是要靠来制造的,包括一些聚合物一些衣服纤维。

绿氢跟二氧化碳反应,就可以生成各种各样的燃料和化学品这个过程叫捕获资源化利用。人们希望通过这个方式来制造甲醇,以及其他化学品。如果制造甲醇就可以形成大规模的甲醇经济,对人类社会有巨大的影响二氧化碳量这么大,太阳能、风能、光能能等绿色能源有这么多,完全可以承担起规模化地为人类提供供给,形成一个新的经济,叫甲醇经济。

人类社会可以进行一个生态循环二氧化碳变成了燃料和化学品,在燃烧的过程又放出二氧化碳和水,然后再用绿氢把二氧化碳转化回来,可以一直循环下去。


液态阳光、液态太阳燃料     


在这个基础上,液态阳光的概念被提出。液体的燃料更为大家所熟悉,汽油、柴油可以装到桶里面去。实质上也是一样的,用太阳能把水和二氧化碳变成燃料,然后变成可以储存、可以运输的液体燃料,供给到市场上去。在燃烧之后放出的水和二氧化碳又可以循环回来,二氧化碳和水就是一个能量载体。液态阳光这个词提出来以后,受到大家非常大的关注,因为如果这样一个路径能行得通的话,就可以解决刚性排放的二氧化碳。

这个策略可以将二氧化碳资源化利用,可规模化减碳,兼顾了减排与经济发展。前面讲的碳捕集储存成本非常高,大概每吨二氧化碳要花费约350人民币,把它封存到深井里面去,还得花更多的钱。这是一个净支出的过程,没有经济效益。

液态阳光甲醇,可以把甲醇产生出来。绿氢从光伏、风电里来,最后生成甲醇,还有一定的经济效益,兼顾经济效益和减排二氧化碳两个任务。

我们团队很多年一直在研究怎么来生产绿氢,做了技术研究和攻关,研发了国际上性能最好的规模化电解水制氢技术,同时又发展了高活性的固溶体催化剂这个催化剂可以将二氧化碳和氢反应生成甲醇,高选择性、高活性生成甲醇。在这样的基础之,可以解决刚性排放二氧化碳

要解决二氧化碳问题,绿氢是非常重要的。有了绿氢就可以做燃料电池,用到交通里面去。绿氢可以在氢冶金里代替焦炭。如果有一些工业过程是刚性排放二氧化碳,像刚才讲的水泥、电石行业,二氧化碳已经排放出来怎么办?我们把它捕获,然后经过绿氢把它合成甲醇,就液态阳光甲醇。

液态阳光甲醇合成出来以后,它的下游市场更广,可以用液态阳光甲做燃料电池,也可以用甲直接作为内燃机燃料。


面临的科学和技术挑战是什么?

有一些什么样的科学和技术挑战呢?首先绿氢的生产是非常有挑战性的,因为水分子在所有的化学品里几乎是最稳定的,要让它分解是件不容易的事情。水不会自动分解成氢气和氧气。如果高温加热到2000度以上,水是可以分解的,但是这个能耗就不得了。如果用光催化、电催化,就可以在温和的条件下实现水的分解。

这个反应大家都觉得很重要,但是特别有挑战。这个反应看上去非常简单,水分子到氢气和氧气,几乎是化学反应里最简单、最漂亮的反应。但是这是科学界,最起码是化学科学领域的一个圣杯式问题。在比较温和的条件下能够让这个反应发生,很多科学家觉得这个反应很有意思,有的人一辈子为之奋斗。

另外如果能把水分解,那水二氧化碳做化学燃料的反应就比较容易了,这个反应就是人工光合成的过程


太阳能分解水制氢主要途径     


制绿氢的过程,现在大概有四条主要的途径。第一个是通过光催化分解水制氢,就是把催化剂颗粒撒到水下面,阳光一照,氢气和氧气就跑出来了,这是非常理想的过程,因为它的工艺非常简单。第二个过程是光电催化分解水,光催化和电催化耦合起来。第三个过程是热化学,就是把太阳能集热,再把材料加到很高的温度,大概1000多度,然后进行材料的热循环,热化学也能够把氢气制出来。第三个过程现在还处在基础研究的阶段,因为产氢的量和效率还比较低,还不足以大规模工业化来解决目前“双碳”的任务。现在有科学家还在继续攻克这个题目。我有很多精力也花在这方面。

现在比较有希望的是电解水制氢,就是通过太阳能光伏发电或者风电,电解水制氢。这个技术现在可以做到规模化。


太阳能光催化分解水研究发展历程    


太阳能光催化分解水这项工作,是非常艰苦且具有挑战的工作。大概在20世纪70年代初,日本科学家先开始开展这项工作,但是进展非常慢,发表的论文也很少。

中国科学院大连化学物理研究所(简称“大连化物所”)于2001年开始做这项工作。我觉得人类能源未来一定要依赖太阳能,通过人工光合成把太阳能变成化学能,一定是人类未来的希望。2001年的时候,我做了一些考察,利用到欧洲、美国、日本访问的机会,详细考察他们国家做得怎么样。调查下来让我非常失望,欧洲国家基本没有人做,美国也做得很少,只有日本还有一些科学家仍在坚持,只有不多的几个课题组在做。但是我觉得这也不是个坏事情,因为要做一些原创的成果,一定不是等到热了才做。这时犹如地质学上的冰河期,我觉得它肯定还是有前景的。

做了很多调查发现,大家的思路是炒催化剂,有一点撞大运的意思,看能不能炒出一个材料出来,使得分解效率提高上去。其实这个过程是非常复杂的,必须要从基础科学上深入研究,找出其本质,才有可能取得突破。

2001,大连化物所启动了光催化分解水的研究,之后世界上光催化开始热起来了。到了20082009年的时候,中国科学院启动了太阳能行动计划,当时的路院长就指命我来负责这个行动计划。当时科学院就在这方面加大了投入,做了一个很大的计划——不光是太阳能分解水,也包括光伏以及太阳能转化的其他方面。

我们太阳能行动计划还是比较早的在发布以后的半年到一年间美国能源部启动了JCAP,即人工光合成联合中心Joint Center for Artificial Photosynthesis,是在美国能源部的支持下,加州大学伯克利和加州理工大学联合起来启动的项目。日本一直在做,但是之前日本也没有太大的项目2010日本启动了ARPCHEM项目也是比较大的一个项目。这些项目的启动促进了这一领域的发展。


太阳能光催化微观机理  

现在这个领域很热,但挑战依然很大。举一个例子,光催化反应是怎么发生的?光激发产生电子和空穴,电子、空穴来驱动化学反应,在室温下让水分解。但是光生电子和空穴的寿命非常短,因为电子和空穴是一负一正,很容易又复合回去,就损失掉了。能够跑到表面催化剂的活性中心上、发生反应的非常少。这是最大的问题。认识这个过程非常有挑战,光生电子和空穴在一个凝聚态体系里面,它的动力学怎么迁移、怎么损失掉、怎么跑到表面上发生反应,这一系列问题都非常困难。光靠一般的宏观化学方法,是没办法解决这个问题的。

2001年开始发展针对光催化的超快光谱,后来还发展超快成像光谱,现在我们能够直接对催化剂表面光激发以后产生的电子和空穴在表面上的分布像成像一样拍下来。表面光生电荷成像,我们是国际上做得最早的,在国际上也有一定影响。


发展规模化太阳能光催化分解水“氢农场”新策略  

再举一个例子。实际的光催化剂怎么工作的?很多年来,大家对催化剂的设计没有概念,后来发现用成像光谱,我们可以了解到光生电子空穴到哪去了。比如说钒酸铋晶粒,它有不同的晶面,光激发以后,电子都集中到010面上去了,而空穴跑到侧面的110晶面上去了。这两种电子和空穴参与的反应不一样,需要的催化剂也是不一样的。这样就可以在微纳尺度上,把催化剂设计组装到不同的晶面上去,大幅提高催化剂的效率,使得分解水的效率大幅度提升。

另外,过去大家做光催化剂,在一个纳米颗粒上同时产氢产氧,但好不容易生成的氢气和氧气很容易发生逆反应生成水,所以效率非常低。有了原理上的认识之后,我们就把催化剂组装在不同的晶面。空间上的隔离大大抑制了氢气和氧气逆反应的发生。还有更巧的一个思路,让催化剂只放氢不放氧,然后先把电子储存起来,然后用光电催化把氢气集中再把它放出来,这样就根本上避免了氢气和氧气发生逆反应的过程。

而且在光催化过程里,氢气和氧气同时产出以后,后面分离也是个大问题。如果真的做到了一个非常高活性的催化剂,还有爆炸危险。现在把氢气和氧气在空间上分离开来,可以做成一个循环,这个过程叫作“氢农场”策略。

什么叫“氢农场”策略?农业种植过程发生的是光合作用,光合作用的第一步就是水的氧化,植物不需要农民把氧气收集起来。最后集中储存到植物里的是还原的物质,到了秋天收割的时候,把粮食颗粒收回来,都是还原物质,氧气释放到空气里面,不存在氢氧分离的问题。

我们这个过程也是一样的,相当于模拟了农业上的农场。每天可以收集一次,从早上到晚上,就可以把氢气集中收集。我们做了个一平方米的实验,效果是非常理想的,可以把制氢效率提到比较高的高度。

我们进一步做的液态阳光项目更多的是道法自然,从自然里学习。自然光合作用,它这个反应写在一起是这样的:水和二氧化碳生成葡萄糖、淀粉等。但实际上,它的内部机理是两个方面的反应。一个叫光反应,光反应就发生在类囊体膜上的两个光合体系上,然后把氧气放出去,把质子和电子留下来,进行暗反应。暗反应就是用酶素反应,可以生成各种各样的糖类化合物。



液态太阳燃料合成工业化技术路线    


液态阳光合成技术在原理上也是分成两部分。一部分是太阳能光伏发电、电解水制氢,这个过程模拟了自然光合作用的太阳能收集、进行水的分解。另一部分是把排放的二氧化碳收集,然后跟绿氢进行反应,生成甲醇。可以看到,这集成了太阳能发电、电解水制氢和二氧化碳捕获及制甲醇等多项技术,是国际上首套直接利用太阳能来做液态阳光的千吨级示范工程。整个技术我们都有自主知识产权。

整个过程就是在太阳光的作用下,水和二氧化碳生成甲醇,跟自然光合作用的水和二氧化碳生成葡萄糖非常相似,可以把它看作是一个无机的人工光合成过程。

植物叶子上发生的反应就是在阳光的作用之下,将水和二氧化碳生成碳水化合物,太阳能转化成生物质(指通过光合作用而形成的各种有机体,包括所有的动植物和微生物)的效率不超过0.5%——有的植物高一点,有的植物低一点,平均低于0.5%。而人工光合成过程,太阳能到甲醇的效率可以到14%以上,效率较自然界增加数十倍。道法自然,超越自然。如果我们的效率跟植物是一样的,那就没有必要做了,多栽树、多种草就可以了。


太阳能利用及人类社会可持续发展


过去农耕社会的时候,水和二氧化碳在自然光合作用之下生成生物质,生物质一方面提供粮食,还提供柴薪等。农耕社会的人不需求那么多能源,基本上柴火在烧了以后又生成二氧化碳和水。这是一个很好的循环,不净增加二氧化碳的浓度。在远古时期生成的多余生物质,被储存在地下,变成了煤、石油、天然气,亿万年前形成的这些东西,人类还并未使用。

工业革命之后,技术进步,能源消耗增加,人们的生活质量在提高。这个过程也造成巨量的二氧化碳增加。人类的进化是很慢的,亿年为尺度,所以在几百年期间一下子增加那么多二氧化碳,人类的进化是跟不上的。现在提出这个思路,通过人工光合成,高效地把多余的二氧化碳转成生物质,不再使用化石燃料而靠人工光合作用,适应现在人类的能源高需求,形成一个新的生态平衡。这对人类地球家园的未来发展有重要作用。

未来社会,一个非常理想的情景就是:白天有太阳能源——太阳能发电或者其他形式的能源,可以供给我们的生活,而多余的能量可以储存起来,比如以储氢的形式储存起来,或者是以液态阳光的形式储存起来。到了晚上,就可以把储存的能量放出来,这样就会在晚间使用,达到绿色低碳社会。

这就是人类追求的方向,青山绿水,蓝天白云。但愿我这个报告能让大家,特别是小学生们,未来致力于这样的研究,致力于这样的工作,让我们共同来实现蓝天白云、青山绿水的美好生态社会。我们共同努力,谢谢大家!


嘉宾介绍

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李灿中国科学院大连化学物理研究所,研究员,博士生导师。2003年当选中国科学院院士,2005年当选发展中国家科学院院士,2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士。现任中国化学会催化委员会主任,中国科学院大连化物所太阳能研究部部长,中国科技大学化学与材料学院院长。

主要从事催化材料、催化反应和光谱表征方面的研究。早期研制成功用于催化研究的紫外拉曼光谱仪,解决了钛硅分子筛的催化活性结构等催化领域的若干重要科学问题;发展了表征分子手性结构 的短波长手性拉曼光谱技术等。近20年来,致力于太阳能转化和利用的科学研究,包括太阳能光、电催化分解水制氢、二氧化碳资源化转化等人工光合成研究和新一代太阳电池探索研究等。研究工作和个人先后获得国家科技发明二等奖,国家自然科学二等奖,中国科学院杰出科技成就奖,何梁何利科学技术进步奖,中国催化成就奖,中国光谱成就奖,日本光化学奖,中法化学讲座奖,亚太催化成就奖,国际催化奖以及国际清洁能源“创新使命领军者”奖;作为首席科学家,2020年主持完成全球首套千吨级液态太阳燃料甲醇合成示范项目;2021年带领团队“液态阳光甲醇合成”项目斩获首届TERA-Award 智慧能源创新大赛冠军。