从实验室到应用

Licht把他的用太阳能生成一氧化碳和氢气混合物的装置叫作“太阳能燃气”，并表示自己的目标是利用来自太阳的热和电挑战这一障碍。在发表于《尖端科学》期刊的文章中，他详细介绍了所设计的装置。该装置利用一种叫作浓缩光伏太阳能发电技术的尖端太阳能电池，而电池可把大量太阳能集中到一个半导体板面上，然后把这些输入能量的38%转化成高伏特电能。这些电能随后被分流至两块电化电池的电极：其中一组能量用来分解水分子，另一组用来分解二氧化碳。同时，电池中收集的其他剩余太阳能被用作热能来源，用来将两块电池预热至上千摄氏度，这一步骤可以减少分解水和二氧化碳分子所需的电能，大致可减少25%。Licht说，最终大约有50%的太阳能可以被转化成化学物质。

目前，尚不清楚通过这一过程合成混合气体的成本是否像用天然气混合气体一样低。但是Licht强调，2010年对他的太阳能水分子分裂设施的单独成本分析结果是，如果花费2.61美元成本，可以分解出1公斤的氢气——这一能量相当于4升汽油。

考虑到其中的成本问题，Bocarsly和其他科学家试图继续在更低温度的条件下分解二氧化碳。其中有一种方法已经实现了商业化应用。在冰岛，一家叫作国际碳回收的公司在2012年开设了一家工厂，利用可再生能源合成混合气体。该公司利用冰岛丰富的地热能发电，然后用来驱动分解二氧化碳和水的电解机器。生成的合成气体随后被转化成甲醇。

一切皆有可能

当然，全球很多地区并不像冰岛那样拥有丰富的地热能来驱动这一过程，为此，研究人员正在寻找能够利用更少能量分解二氧化碳的新催化剂。这些催化剂通常位于负电极（即电化电池的两个电极中含水的一边）。在相反的电极，水分子被分解成电子、质子和氧气，氧气在变成泡沫后融合到空气中。电子和质子会被传送到负电子，在那里二氧化碳分子被分解成一氧化碳和氧原子，而氧原子和电子及质子合并后形成更多的水。

目前，这种催化剂的最佳标准是“金”。上世纪80年代，日本科学家发现，用金制成的电极在低温装置中把二氧化碳分解成一氧化碳的效率最高。在2012年，斯坦福大学化学家Matthew Kanan和同事发现了一种更好的材料：把薄金层转化成纳米大小的晶体，然后用其制作电极。这篇发表于《美国化学学会期刊》的研究成果显示，这种材料可以让所需电量减少50%以上，并且让催化剂的活性增强10倍。

然而，每公斤金的价格为3.6万美元，大规模使用这种金属过于昂贵。去年，特拉华大学化学家冯娇（音译）在发表于《自然—通讯》的研究成果中称，利用银纳米颗粒制成的催化剂效果同样明显。今年，他们在发表于美国化学学会《催化作用》期刊的研究成果中，介绍了一种价格更加低廉、高效的分解一氧化碳催化剂：即利用小锌钉制成的树枝状晶体。

当前全球范围内的研究人员仍在探索其他的“富矿”：利用太阳能直接驱动二氧化碳和水低温电解的方式。很多研究工作聚焦于吸光的半导体，例如利用钛基二氧化碳纳米管分解出一氧化碳、甲烷和其他碳氢化合物。到目前为止，类似的装置效率仍不够高；很多时候，它们仅能把不足1%的输入太阳能转化成化合物。Bocarsly和一些人曾利用太阳紫外线作出更好的结果。但是今年8月，在波士顿举行的美国化学学会会议上，特拉华大学化学家Joel Rosenthal报告称，他和同事已经研究出一种铋基光催化剂，可以使收集的6.1%的太阳能转化成化合物。

尽管这些前沿技术在不断推进，但是Kanan警示称，太阳能燃料和液态化石燃料并驾齐驱仍有相当长的路要走，尤其是现在每桶油价格已下降至50美元以下。这阻碍了全球政府形成合力，对二氧化碳排量设置上限或是收取碳排放税，因此如果单从价格上考虑，太阳能可能永远不能击败化石能源。“这是一项难以完成的任务。”Kanan说。

尽管如此，Kanan表示，有一天，如果可再生能源的应用足够广泛，制造可再生燃料的技术也有所提高，那时人们或许才能没有罪恶感地大量消耗能源，因为人们知道自己只是在燃烧太阳能。