模拟自然，为未来提供动力
中国研究人员在清洁能源技术领域取得重大进展，研发出一种仅利用阳光就能将二氧化碳和水转化为有价值化学原料的系统。这项突破发表在同行评审期刊《自然·通讯》上，其灵感源自光合作用，即植物利用阳光、水和大气中的碳生成能量的自然过程。
研究团队由中国科学院和香港科技大学的科学家组成，他们研发出一种能够储存少量电能的特殊材料。这种储能能力对于驱动化学反应至关重要，可在不依赖化石燃料的情况下将二氧化碳转化为有用化合物。
该系统与促进二氧化碳转化的催化剂结合后，能够利用太阳能生产一氧化碳。这种中间化学产物还可进一步加工成液态烃类燃料，为航空和航运等难以电气化的领域提供潜在动力来源。
人工光合作用如何运作
利用阳光将二氧化碳转化为燃料的过程称为光催化或人工光合作用，长期以来一直是清洁能源研究的目标。自然光合作用让植物将太阳能储存在化学键中，用二氧化碳和水生成糖类。科学家一直试图在实验室中复制这一效率，以开发可替代石油产品的可持续燃料。
中国团队解决了人工光合作用面临的一项关键挑战：如何同时衔接多个复杂的化学反应。自然系统利用精密的生物机制暂时储存光生电子，从而促进不同反应阶段之间的高效能量传递。研究人员借鉴这一策略，设计出一种经过银修饰的三氧化钨材料，作为电荷储存库。
研究团队在已发表的论文中介绍了这项突破性策略。
这项研究确立了一种受生物启发的电荷储存库策略，可高效实现二氧化碳光还原，并为太阳能燃料生产提供了一种通用方法。
这种材料在光照期间储存电子，并按需释放电子以驱动化学反应。与使用有机牺牲剂的方法相比，该系统的表现相当，而有机牺牲剂通常缺乏可持续性；同时，该系统与多种催化剂结合时具有普遍适用性。在自然阳光下，这种材料成功触发了转化反应，展现出实际应用于太阳能燃料生产的可行性，无需人工照明或外部电源。
全球竞争日趋激烈
中国的这项突破正值国际社会竞相开发实用太阳能燃料技术之际。世界各地的研究人员正通过不同技术路线，探索将大气中的二氧化碳转化为可用能源载体，并瞄准不同应用领域。这些同步取得的进展表明，经过数十年的实验室研究，这项技术正逐渐接近商业化。
在瑞士，由奥尔多·施泰因费尔德教授带领的苏黎世联邦理工学院科学家研发了一座工业装置，可直接从环境空气中提取二氧化碳和水。该设施利用聚光太阳能分解这些物质，生成由氢气和一氧化碳组成的合成气，随后再将其加工成煤油和甲醇。这种太阳能煤油燃烧时释放的二氧化碳，仅相当于生产过程中吸收的二氧化碳，从而实现碳中和。该技术已发展到足以商业部署的阶段，德国一座工业规模生产设施已获得资金支持，预计将验证这一工艺的经济可行性。
日本研究人员也通过另一种方法打破了此前的效率纪录。东京科学大学和广岛大学的科学家研发出一种新型铅基氧卤化物光催化剂，与传统方法相比，可将产氢活性提高至多60倍。这种材料的产氢量子产率约为15%，创下纪录；将二氧化碳转化为液态燃料甲酸的量子产率则为10%。共同领导这项研究的前田和彦教授解释了结构改进的意义。
这项研究凸显了控制氧卤化物形貌的重要性，这有助于充分发挥其作为光催化剂的潜力。
与此同时，剑桥大学的研究人员研发出一种太阳能驱动的流动反应器，利用专用过滤器直接从大气中捕获二氧化碳。该装置在夜间吸收二氧化碳，受到阳光照射后将其转化为合成气，无需外部电源、电缆或电池。反射镜汇聚阳光以驱动化学反应。这种分布式方案有望在远离电网的地区实现燃料生产。
印度科学家也为这项全球研究作出了贡献。位于金奈的印度斯坦科技学院的英德拉吉特·肖恩教授研发出一种锌硫基材料，可吸收阳光并将二氧化碳转化为燃料成分乙醛。与使用专用照明设备的以往方法相比，该系统利用普通阳光运行，效率约提高200倍。肖恩教授强调了这项研究的实际目标。
这项研究着眼于寻找真正有助于保护地球的方法，而不仅仅是推动科学进步。
这些进展来自多个国家，表明太阳能燃料技术正通过多条独立路线走向成熟，也提高了至少一种方案取得商业成功的可能性。
瞄准航空与航运领域
这些技术的潜在应用不止于常规交通运输，还包括一些电气化尤其困难的领域。航空、航运和重工业高度依赖液态烃类燃料，因为这类燃料能量密度高，并且与现有基础设施兼容。这些领域合计占全球二氧化碳排放量的相当大比例，却难以轻易转用电池电动或氢燃料电池技术。
航空业的脱碳障碍尤为突出。飞机需要能量密度极高的燃料，才能兼顾合理的重量和航程。现有电池技术无法为长途飞行提供足够的储能；若增加电池，则会带来难以承受的重量，使商业运营不可行。目前，航空业约占全球人为二氧化碳排放量的3%。随着年乘客人数预计到2035年增至75亿，这一比例预计还将上升。
太阳能衍生燃料是一种颇具吸引力的解决方案，因为它们可以直接替代传统化石燃料。由二氧化碳和阳光制成的煤油无需改装现有飞机发动机即可使用，甲醇则可作为船用燃料或药品生产的化学原料。由于这些燃料释放的二氧化碳仅为生产过程中捕获的部分，因此能够形成封闭碳循环，避免向大气中增加新的温室气体，同时利用现有燃料分销基础设施。
国际航空运输协会已将可持续航空燃料列为实现2050年二氧化碳净零排放的关键。国际能源署预计，到2030年，这类燃料可满足10%的航空燃料需求，到2040年这一比例将接近20%。然而，目前可持续燃料的使用量仍低于总消费量的0.1%，这表明即使相关技术已在实验室和试点项目中得到验证，要实现上述目标仍需大幅扩大产能。
商业化部署面临的障碍
尽管科学研究取得显著进展，太阳能燃料技术要广泛应用仍面临重大障碍。成本仍是实现商业可行性的首要门槛。瑞士研究人员估计，规模化生产的太阳能煤油每升成本为1.35至2.20美元。虽然这一成本已逐步接近传统航空燃油的竞争水平，但工业规模工厂所需的高额前期投资，使项目部署更加复杂，也给早期投资者带来风险。
地理条件也限制了生产潜力。太阳能燃料生产需要充足日照，因此沙漠地区最适合选址。然而，将生产出的燃料从偏远沙漠地区运往主要交通枢纽，需要大量基础设施投资和物流协调。与常常和粮食生产争夺农业用地的生物燃料不同，太阳能燃料可以利用不适宜耕种的沙漠地区，既保留宝贵耕地用于种植和畜牧，也能充分利用太阳辐照度较高的区域。
提高转化效率和系统耐用性方面的技术挑战依然存在。尽管近期突破较早期技术有了显著改进，目前的系统仍只能将部分可用太阳能转化为化学键中的能量。作为参考，自然光合作用的效率约为1%；根据发表于《科学》的研究，近期实验室成果在特定反应步骤中的效率已达到13%至15%。后续研究需要着力开发效率更高的催化剂、改进电荷分离机制，并打造能够在真实环境中可靠运行的系统，而不仅仅是在温度和湿度稳定的受控实验室环境中运行。
政策支持对于弥合实验室成果与商业部署之间的差距至关重要。研究人员建议实施配额制度，要求航空公司按一定比例采购可持续来源的燃料，从而形成稳定需求，为基础设施投资提供保障。这类监管框架有望加快产能扩大，并通过提升产量降低成本，借鉴过去20年成功降低太阳能光伏板和风力涡轮机成本的模式。
要点
- 中国科学家研发出一种受植物启发的系统，利用经过银修饰的三氧化钨，在阳光照射下将二氧化碳和水转化为燃料前体；相关研究发表于《自然·通讯》。
- 这项技术采用电荷储存库策略储存电能，以驱动化学反应，无需使用缺乏可持续性的牺牲剂。
- 瑞士、日本、英国和印度的研究人员也在开展相关太阳能燃料研究，采用不同方法，取得的效率各异。
- 太阳能燃料有望助力航空和航运脱碳，这些领域因对高能量密度的需求而难以电气化。
- 太阳能煤油目前估算成本为每升1.35至2.20美元，大规模生产还需要大量基础设施投资。
- 国际能源署预计，如果克服产能扩大方面的挑战，到2030年可持续航空燃料可满足10%的需求，到2040年可满足20%。
