太陽能轉變為燃料！沒錯，夢已成真！

材料牛注：瑞士科學家們利用太陽能，成功合成人造燃料，盡管產物中可直接使用的燃料較少，但把太陽能轉變為燃料，已從夢境走入現實！

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，有潛力可持續地滿足未來能源的所有需求。但有一個未解決的問題：太陽不會一直發光，并且它的能量很難儲存。瑞士保羅謝爾研究所（PSI）和蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的研究者們率先發現了一種利用太陽的熱能將二氧化碳和水直接轉化為高能量燃料的化學方法：這種方法是在二氧化鈰和銠合成的新材料基礎上發展起來的。這一發現標志著太陽能化學法儲存向前邁開了重要一步。研究者們在Energy和Environmental Science雜志上公布了他們的研究發現。

太陽的能量一直以各種各樣的方式被加以利用：比如光伏電池將太陽光轉變為電流，再比如火箭的熱裝置利用大量的太陽能將燃料流體加熱至高溫。太陽能熱功率設備大規模應用了第二種方法：使用數以千計的鏡子，將太陽光聚焦到熱水器上，從而直接或者通過熱交換器在超過500℃的溫度下來產生蒸汽，隨后渦輪機將熱能轉化為電能。

瑞士保羅謝爾研究所(PSI)和蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的研究者們合力開創性地研發出了該方法的替代手段，這種新的替代手段利用太陽的熱能將二氧化碳和水轉化為人造燃料。

瑞士保羅謝爾研究所(PSI)的太陽能技術實驗室的化學家Ivo Alxneit解釋道：“這種方法可以將太陽能以化學鍵的形式儲存起來，這比儲存電流要容易多了。”這種新方法的原理和太陽能設備的原理相似。Alxneit和他的同事們使用高溫是為了引發只有在超過1000℃高溫下才進行的化學反應。隨著太陽能技術上的發展，在不久將來就能夠用太陽光來實現這一高溫。

Alxneit的研究是基于熱化學循環原理，這一原理包含了化學轉變和某種物質所需熱量的循環過程，專家們將其稱為熱能。十年前，研究者已經證明了低能量物質（水、二氧化碳）轉化為高能量物質（氫氣、一氧化碳）是可能的。

這種情況發生在特定的材料中，例如二氧化鈰，金屬鈰和氧的化合物。在超過1500℃的高溫時，二氧化鈰失去一些氧原子，而在低溫時，這種還原材料可以重新得到氧原子。如果直接將水和二氧化碳分子置于這種活潑的表面，它們會釋放氧原子（化學符號：O）。水(H₂O)轉變為氫氣(H₂)，二氧化碳(CO₂)轉變為一氧化碳(CO)，同時在反應中的鈰重新被氧化，為再一次的二氧化鈰循環做準備。

在這一過程中產生的氫氣和一氧化碳可以用來生產燃料：特別是氣態或者液態的碳氫化合物，例如甲烷、汽油、柴油。這些燃料可以直接使用，也可以儲存在罐子中，又或者注入天然氣供氣網中。

到目前為止，生產這種燃料還需要另一個獨立的方法，即1925年提出的費托合成法(the Fischer-Tropsch Synthesis)。歐洲研究團隊SOLAR-JET最近提出了將熱化學循環和費托合成法結合起來的新方法。

然而，正如Alxneit解釋道：“盡管我們已經基本上解決了太陽能的儲存問題，但是為了獲得可行的科技成果，我們有必要進行費托合成。”除了太陽能裝置之外，又一個工業化科技工廠也需要進行費托合成。

Ivo Alxneit和他的同事研發了一種可以直接一步合成的材料，這種新方法沒有采用費托合成法，因此也無需進行第二步。這種方法是通過在二氧化鈰中添加少量的銠來實現的，銠是進行化學反應的催化劑。人們很早就知道，銠可以催化氫氣、一氧化碳、二氧化碳發生反應。

Alxneit說：“催化劑是這些太陽能燃料生產的關鍵因素。”他的瑞士保羅謝爾研究所(PSI)的博士生Fangjian Lin強調道：“對這些化學反應來說，極端的反應狀態是必不可少的，而控制這些極端反應狀態并研發一種可以忍耐1500℃活化階段的催化劑是我們面臨的巨大難題。”例如，由于材料表面上極其小的銠的島狀物對預期的催化過程至關重要，所以在冷卻階段它們的大小不能發生任何變化。最終燃料一部分被消耗，一部分儲存起來。一旦二氧化鈰被重新激活，循環過程則再次開始。

瑞士保羅謝爾研究所（PSI）和蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）實驗室的研究者們，通過使用各種各樣的結構和氣體分析的標準方法，仔細地檢測了鈰-銠化合物，探究二氧化鈰減少的工作原理以及甲烷是如何成功合成的。Alxneit.總結道：“盡管我們的合方法只能產生少量的可直接使用的燃料，但是我們已經證明了我們理論的可行性，它將我們從科幻領域領入了現實。”

實驗中，蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的研究者們使用高性能爐取代太陽能，從而簡化了整個實驗過程。瑞士保羅謝爾研究所（PSI）和蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的博士Matth?us Rothensteiner（該實驗檢測責任人）解釋：“在測試過程中，熱能的實際損耗是非實質的。”

瑞士保羅謝爾研究所（PSI）催化實驗室和Sustainable Chemistry的主席、蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）多相催化專業教授Jeroen van Bokhoven補充道：“這些測試能使我們對催化劑長期穩定性獲得深刻的見解。高性能爐能幫助我們實現連續59個循環實驗。我們研發的新材料已經輕松通過了第一次耐久性測試。”這足以說明他們的方法在原則上是可行的，現在研究者們可以全力以赴的投入到最優化實驗中去了。

參考原文鏈接：How solar energy can be transformed into fuel

本文由編輯部丁菲菲提供素材，樊超編譯，劉宇龍審核。

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