Stuart Licht設(shè)計(jì)了最終循環(huán)機(jī)。他和同事在美國華盛頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建造的這個(gè)太陽能反應(yīng)堆，可以借用太陽光把空氣中的二氧化碳——化石能源氧化后的副產(chǎn)物——再一次轉(zhuǎn)化成燃料。這中間有幾個(gè)步驟：這一反應(yīng)過程中需要用到水，水可以分解成氫氣和一氧化碳；然后分解物可以與液態(tài)烴燃料相混合。可以說，Licht的裝置是全世界到目前為止最有效的轉(zhuǎn)化裝置。
事實(shí)上，Licht的方法只是全球各個(gè)實(shí)驗(yàn)室利用太陽能技術(shù)進(jìn)行二氧化碳轉(zhuǎn)化的一個(gè)案例。這些技術(shù)代表了一個(gè)夢想：有一天，能夠繞開化石能源，從太陽光、空氣和水中生成交通運(yùn)輸所需的燃料，從而在此過程中，擺脫掉人類因?yàn)橐蕾嚮茉炊蚩諝庵信欧诺亩趸肌?/p>
現(xiàn)在，這些技術(shù)尚未對石油行業(yè)形成威脅。在Licht的設(shè)計(jì)中，部分反應(yīng)堆的溫度高達(dá)1000℃，這一高溫需要特殊材料盛放相關(guān)構(gòu)件。其他的研究人員也在探索各種備選方案，研發(fā)可以利用太陽光或是其他由可再生能源驅(qū)動(dòng)的、進(jìn)行相同化學(xué)反應(yīng)的催化劑，或是可以在室溫條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的催化劑。
其中的障礙之一是經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)前，油價(jià)依然不高，因此很難有動(dòng)力采用其他高端的、成本昂貴的選擇方案。但是勢不可擋的氣候變化及其相關(guān)效應(yīng)已經(jīng)吸引了全世界的研究人員探索太陽能燃料。“這是一個(gè)非常熱門的領(lǐng)域。”加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)家Omar Yaghi說。正如Licht的反應(yīng)堆所證實(shí)的那樣，相關(guān)研究在不斷向前推進(jìn)。“我們還沒有到達(dá)那里，但是我們在向著正確的方向前進(jìn)。”普林斯頓大學(xué)化學(xué)家、正在研究低溫催化劑的Andrew Bocarsly說。
富有熱情的研究人員甚至已經(jīng)看到了一線曙光，讓這種技術(shù)變得更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用：比如風(fēng)電和太陽能等可再生能源的穩(wěn)定發(fā)展。現(xiàn)在，風(fēng)輪葉片和太陽能電池在一些地區(qū)已經(jīng)可以提供超過使用量的電能。如果這些過剩的能量可以被儲(chǔ)存為化學(xué)燃料，專家稱，或許設(shè)備供應(yīng)商就能夠在任何時(shí)候、任何地方節(jié)省能源，由此帶來額外收益。
技術(shù)與經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)
盡管存在氣候變化的擔(dān)憂，但是液態(tài)燃料的需求不可能謝幕。石油和其他液態(tài)烴的高能量密度和易于運(yùn)輸?shù)奶匦裕蛊涑蔀槿蚪煌ㄟ\(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的主要依靠。研究人員在不斷探索低碳?xì)怏w的使用，如把甲烷和氫氣作為運(yùn)輸燃料，使電動(dòng)汽車大幅增加。但是對于長距離運(yùn)輸貨車和其他重型交通工具以及航空業(yè)來說，現(xiàn)在卻沒有比液體燃料更好的選擇了。支持太陽能的人稱，應(yīng)該找到一種利用可獲取的化合物（如水和二氧化碳）釀造液體燃料，從而大幅降低二氧化碳排量的方法。
這一目標(biāo)可以歸結(jié)為逆向的氧化反應(yīng)，即從太陽或其他可再生能源中獲取能量，然后使其變?yōu)榛衔铩！斑@是個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問題，也是一場艱苦的戰(zhàn)役。”賓夕法尼亞州匹茲堡大學(xué)化學(xué)家John Keith說。可以說，這就像植物需要制造出生長所需的糖分那樣，但是植物僅把1%左右的能量轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。為了驅(qū)動(dòng)工業(yè)發(fā)展，研究人員要做的比這難得多。Keith把這種挑戰(zhàn)比喻成人類登月工程。
其問題在于，二氧化碳是一種非常穩(wěn)定的、很難產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的分子。化學(xué)家可以通過電或熱等方式迫使其產(chǎn)生反應(yīng)。其中，第一步通常是剝落二氧化碳分子的一個(gè)氧原子，形成一氧化碳。然后，一氧化碳可以和氫氣混合，形成含有一氧化碳和氫的混合氣體，該氣體可以被轉(zhuǎn)化成甲醇—— 一種可以直接使用或轉(zhuǎn)化成有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)和燃料的液體酒精。大型化學(xué)工廠可以進(jìn)行這一過程，但是它們并非是從空氣中制作混合氣體，而是利用大量廉價(jià)的天然氣合成該氣體。因此，化學(xué)家的挑戰(zhàn)是，從比當(dāng)前能源價(jià)格更低廉的可再生能源中合成混合氣體。
從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用
Licht把他的用太陽能生成一氧化碳和氫氣混合物的裝置叫作“太陽能燃?xì)狻保⒈硎咀约旱哪繕?biāo)是利用來自太陽的熱和電挑戰(zhàn)這一障礙。在發(fā)表于《尖端科學(xué)》期刊的文章中，他詳細(xì)介紹了所設(shè)計(jì)的裝置。該裝置利用一種叫作濃縮光伏太陽能發(fā)電技術(shù)的尖端太陽能電池，而電池可把大量太陽能集中到一個(gè)半導(dǎo)體板面上，然后把這些輸入能量的38%轉(zhuǎn)化成高伏特電能。這些電能隨后被分流至兩塊電化電池的電極：其中一組能量用來分解水分子，另一組用來分解二氧化碳。同時(shí)，電池中收集的其他剩余太陽能被用作熱能來源，用來將兩塊電池預(yù)熱至上千攝氏度，這一步驟可以減少分解水和二氧化碳分子所需的電能，大致可減少25%。Licht說，最終大約有50%的太陽能可以被轉(zhuǎn)化成化學(xué)物質(zhì)。
目前，尚不清楚通過這一過程合成混合氣體的成本是否像用天然氣混合氣體一樣低。但是Licht強(qiáng)調(diào)，2010年對他的太陽能水分子分裂設(shè)施的單獨(dú)成本分析結(jié)果是，如果花費(fèi)2.61美元成本，可以分解出1公斤的氫氣——這一能量相當(dāng)于4升汽油。
考慮到其中的成本問題，Bocarsly和其他科學(xué)家試圖繼續(xù)在更低溫度的條件下分解二氧化碳。其中有一種方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。在冰島，一家叫作國際碳回收的公司在2012年開設(shè)了一家工廠，利用可再生能源合成混合氣體。該公司利用冰島豐富的地?zé)崮馨l(fā)電，然后用來驅(qū)動(dòng)分解二氧化碳和水的電解機(jī)器。生成的合成氣體隨后被轉(zhuǎn)化成甲醇。
一切皆有可能
當(dāng)然，全球很多地區(qū)并不像冰島那樣擁有豐富的地?zé)崮軄眚?qū)動(dòng)這一過程，為此，研究人員正在尋找能夠利用更少能量分解二氧化碳的新催化劑。這些催化劑通常位于負(fù)電極（即電化電池的兩個(gè)電極中含水的一邊）。在相反的電極，水分子被分解成電子、質(zhì)子和氧氣，氧氣在變成泡沫后融合到空氣中。電子和質(zhì)子會(huì)被傳送到負(fù)電子，在那里二氧化碳分子被分解成一氧化碳和氧原子，而氧原子和電子及質(zhì)子合并后形成更多的水。
目前，這種催化劑的最佳標(biāo)準(zhǔn)是“金”。上世紀(jì)80年代，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，用金制成的電極在低溫裝置中把二氧化碳分解成一氧化碳的效率最高。在2012年，斯坦福大學(xué)化學(xué)家Matthew Kanan和同事發(fā)現(xiàn)了一種更好的材料：把薄金層轉(zhuǎn)化成納米大小的晶體，然后用其制作電極。這篇發(fā)表于《美國化學(xué)學(xué)會(huì)期刊》的研究成果顯示，這種材料可以讓所需電量減少50%以上，并且讓催化劑的活性增強(qiáng)10倍。
然而，每公斤金的價(jià)格為3.6萬美元，大規(guī)模使用這種金屬過于昂貴。去年，特拉華大學(xué)化學(xué)家馮嬌（音譯）在發(fā)表于《自然—通訊》的研究成果中稱，利用銀納米顆粒制成的催化劑效果同樣明顯。今年，他們在發(fā)表于美國化學(xué)學(xué)會(huì)《催化作用》期刊的研究成果中，介紹了一種價(jià)格更加低廉、高效的分解一氧化碳催化劑：即利用小鋅釘制成的樹枝狀晶體。
當(dāng)前全球范圍內(nèi)的研究人員仍在探索其他的“富礦”：利用太陽能直接驅(qū)動(dòng)二氧化碳和水低溫電解的方式。很多研究工作聚焦于吸光的半導(dǎo)體，例如利用鈦基二氧化碳納米管分解出一氧化碳、甲烷和其他碳?xì)浠衔铩５侥壳盀橹梗愃频难b置效率仍不夠高；很多時(shí)候，它們僅能把不足1%的輸入太陽能轉(zhuǎn)化成化合物。Bocarsly和一些人曾利用太陽紫外線作出更好的結(jié)果。但是今年8月，在波士頓舉行的美國化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)議上，特拉華大學(xué)化學(xué)家Joel Rosenthal報(bào)告稱，他和同事已經(jīng)研究出一種鉍基光催化劑，可以使收集的6.1%的太陽能轉(zhuǎn)化成化合物。
盡管這些前沿技術(shù)在不斷推進(jìn)，但是Kanan警示稱，太陽能燃料和液態(tài)化石燃料并駕齊驅(qū)仍有相當(dāng)長的路要走，尤其是現(xiàn)在每桶油價(jià)格已下降至50美元以下。這阻礙了全球政府形成合力，對二氧化碳排量設(shè)置上限或是收取碳排放稅，因此如果單從價(jià)格上考慮，太陽能可能永遠(yuǎn)不能擊敗化石能源。“這是一項(xiàng)難以完成的任務(wù)。”Kanan說。
盡管如此，Kanan表示，有一天，如果可再生能源的應(yīng)用足夠廣泛，制造可再生燃料的技術(shù)也有所提高，那時(shí)人們或許才能沒有罪惡感地大量消耗能源，因?yàn)槿藗冎雷约褐皇窃谌紵柲堋?/p>