原创丨源于自然的创作——人工光合太阳燃料

来源:yfg19490423    发布时间:2018-12-04 18:37:01

春天的田野里,我们经常可以看到一棵棵向日葵迎着太阳转动,艳阳高照的夏天,向日葵茁壮成长,结出了像太阳一样的“果盘”,到了秋天,沉甸甸的果盘成熟了,结出丰厚的果实,给我们提供了营养丰富的植物油。这个过程让我们对大自然充满了好奇,也更加崇拜自然的力量。如果你了解一些生物化学知识,就知道这就是我们通常说的光合作用。绿色植物利用太阳光进行光合作用,是将水(H2O)和二氧化碳(CO2)转化成有机化合物的过程,为地球上一切生物包括人类的生存和发展提供了物质和能量基础。是不是很强大?这里面的秘密可多着呢!


人类现在使用的化石燃料(煤、石油和天然气)也是地球早期植物光合作用储存在地质中的能源。然而,人类对化石燃料的过度使用,排放了大量的CO2,已经打破了地球的碳平衡,带来的环境污染和气候变化严重影响了地球的生态和人类的生存和发展。人们把目光聚集到洁净、可再生的新能源的开发和利用上。尤其是“取之不尽,用之不竭”的太阳能,成为众所瞩目的新能源翘楚。在科学家的眼中,绿叶是利用太阳能的“高手”,在太阳能转化工厂(叶绿体)里巧妙地集成了太阳光的吸收、转化和存储。因此,人们期望从光合作用的机制中得到启发,发展太阳能光催化和光电催化过程,构建高效的人工光合系统,以水和二氧化碳为原料,生产洁净的太阳能燃料,开辟绿色可持续发展的方向。


道法自然,不是简单的模仿,而是将大自然不同方面的优点结合起来,发展适合我们人类的洁净燃料光催化合成方式。在人工光合作用中,中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室太阳能部的李灿院士率领的团队致力于人工光合太阳燃料的研究。在自然光合作用中,高效的光催化体系(光系统 II 和 I )具有光生电子和空穴向不同方向转移,相对应的氧化和还原反应在不同的空间和时间尺度上进行的特点。该团队学习和借鉴自然光合作用的部分原理,发展人工太阳能光催化和光电催化体系,把太阳光、水和二氧化碳转化成太阳燃料和氧气。太阳燃料的生产主要通过两个非常具有挑战性的化学反应途径来实现:(1)在太阳光的作用下,光催化剂将水分解,产生氧气(O2)和氢气(H2)。能量密度高的氢气,可以为氢能汽车提供动力,燃烧后生成没有污染的水,在未来洁净“氢”能源体系中具有不可或缺的地位;(2)将二氧化碳和水一起通过太阳光照的反应器,生产类似汽油、航空燃料等液体燃料,解决能源短缺问题,这一燃料合成过程不但转化和存储了洁净的太阳能,还固定了大气中二氧化碳温室气体,有效的缓解地球气候变暖。



图1. 人工光合太阳能燃料发展路线图


温室效应使得人们越来越关注地球的气候变化。面对资源短缺,环境污染严重,自然生态系统的退化,保护自然,建设洁净能源系统迫在眉睫,清洁可再生能源的利用在世界能源消费中的比例高速上升,有效地遏制了碳排放增加的势头。而人工光合成太阳燃料技术的突破必将改变世界能源消费格局,引领人类进入低碳生态文明社会。在不远的未来,“雾霾”将会从我们的生活中消失,我们可以自由自在地呼吸新鲜空气,也可以开着太阳能燃料汽车,开开心心上班和旅行,孩子们更加可以随时随地在户外玩耍嬉戏,尽情享受太阳能燃料带给我们的绿色高品质生活。

 

作者系中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室、洁净能源国家实验室(筹)太阳能研究部研究人员