○ 文／本刊記者 陸曉如

●“利用太陽燃料技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的資源化利用?！薄?/p>

人 物 簡 介

李燦：中國科學(xué)院院士、第三世界科學(xué)院院士、歐洲人文和自然科學(xué)院外籍院士?，F(xiàn)任中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所潔凈能源國家實(shí)驗(yàn)室（籌）主任、中法催化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室中方主任，兼任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院院長。

主要從事催化材料、催化反應(yīng)和催化光譜表征方面的研究。研制成功用于催化材料研究的紫外拉曼光譜技術(shù)，發(fā)展了短波長手性拉曼光譜和光電超快及成像光譜技術(shù)。汽油和柴油超深度脫硫技術(shù)已工業(yè)化。2001年以來主要致力于太陽能科學(xué)利用研究，包括太陽能光催化、光電催化和電催化分解水制氫和二氧化碳還原制液態(tài)太陽燃料的研究。

利用太陽能進(jìn)行CO2加氫制甲醇等燃料及化學(xué)品，是實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用及減排的可行策略。

現(xiàn)代工業(yè)文明給人類帶來了利益、舒適、便利，但同時(shí)也帶來了負(fù)面影響。比如，生產(chǎn)和生活過程中產(chǎn)生的大量二氧化碳。有研究指出，近100年全球平均氣溫升高了0.6℃，且近年來加速升溫，而二氧化碳被認(rèn)為是罪魁禍?zhǔn)?。旨在遏制全球氣候變暖的《京都議定書》簽訂后，二氧化碳更成了人人喊打的“過街老鼠”。

各界都在呼吁世界各國在二氧化碳減排方面加大力度。中國科學(xué)院院士李燦指出，利用太陽能燃料技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的資源化利用，將其變廢為寶，主動(dòng)、積極地實(shí)施二氧化碳減排。

優(yōu)越的太陽能

中國石油石化：李院士，您好！世界能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)。您如何看待這一趨勢(shì)？

李燦：現(xiàn)階段化石能源雖然仍是世界能源消費(fèi)主體，但可再生能源的重要性已日益凸顯。

從勘探開發(fā)研究成果來看，占據(jù)世界能源消費(fèi)主體的化石能源再供人類使用很長一段時(shí)間不成問題?，F(xiàn)在還有很多研究致力于提升化石能源的利用效率，促進(jìn)化石能源的清潔化利用，已經(jīng)取得了諸多成果。但依靠化石能源存在的危機(jī)和問題依然不能回避。

一方面，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求不斷增長，對(duì)能源的要求越來越高，能源問題上升為國家安全問題。而化石能源作為不可再生能源日漸枯竭是必然趨勢(shì)。不能等到只剩下一滴油、一鏟煤時(shí)才考慮其他可替代能源，而是需要提前發(fā)展替代能源來支撐人類未來的能源需求。另一方面，隨著人類生活質(zhì)量的提高，化石能源使用帶來的二氧化碳排放問題日益引起關(guān)注。我國每年二氧化碳排放量超過60億噸，全世界每年二氧化碳排放量達(dá)400億噸。由過度消耗化石資源排放二氧化碳等污染物引發(fā)的環(huán)境以及氣候變化等問題已經(jīng)威脅到人類的生存。發(fā)展清潔的可再生能源，是人類可續(xù)持發(fā)展的急迫需要。

從我國的情況來看，環(huán)境和能源問題已經(jīng)成為制約我國可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。習(xí)近平主席倡導(dǎo)綠水青山的生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展理念，加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，要求我們通過發(fā)展清潔可再生能源解決我國未來能源的生態(tài)問題。

中國石油石化：在多種可再生能源里，您認(rèn)為太陽能的優(yōu)越性體現(xiàn)在哪些方面？

查閱文獻(xiàn)，咨詢臨床科室專家借鑒國內(nèi)標(biāo)桿醫(yī)院經(jīng)驗(yàn)，營養(yǎng)管理團(tuán)隊(duì)借用洼田飲水實(shí)驗(yàn)，分類制定了卒中后吞咽障礙患者經(jīng)口進(jìn)食管理方案，并構(gòu)建了“吞咽障礙患者經(jīng)口進(jìn)食”?？浦笜?biāo)。

李燦：太陽能是清潔的可再生能源，而且潛力巨大。2005年世界能源消耗總量大約為3×1020焦耳，而每年照射到地面的太陽能達(dá)到3×1024焦耳。這個(gè)數(shù)據(jù)說明，從資源量來看太陽能有能力也是從理論上唯一有可能滿足人類全部能源需求的能源。

太陽能資源量不成問題。利用太陽能的關(guān)鍵問題是如何高效地把太陽能轉(zhuǎn)化為人類需要的能源。目前，光伏發(fā)電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化利用，能夠滿足人們對(duì)電能的需求。新一代更加高效、更加低成本的太陽能發(fā)電技術(shù)正在研發(fā)中。

就我國而言，太陽能資源非常豐富，目前近2/3的國土上已經(jīng)有太陽能商業(yè)化開發(fā)利用。我國已經(jīng)是生產(chǎn)和裝配太陽能光伏最多的國家，多地還在不斷上馬太陽能發(fā)電項(xiàng)目，發(fā)展太陽能前景廣闊。

利用新方向

中國石油石化：當(dāng)前利用太陽能主要是光伏發(fā)電。您所研究的太陽燃料技術(shù)是怎樣利用太陽能的？

李燦：說到太陽能利用，人們的印象大多數(shù)是太陽能光伏發(fā)電。其實(shí)利用太陽能可轉(zhuǎn)化為清潔的化學(xué)燃料，也稱太陽燃料。

太陽燃料（Solar Fule）相對(duì)于化石燃料（Fossil Fule）而言，是指利用太陽能等可再生能源轉(zhuǎn)化二氧化碳和水生成的化學(xué)燃料。太陽燃料的合成技術(shù)受到了自然界光合作用的啟發(fā)。自然界里的植物、藻類和某些細(xì)菌，在太陽光的照射下，經(jīng)過光反應(yīng)和暗反應(yīng)，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳水化合物，將光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存在碳水化合物中，并釋放出氧氣。經(jīng)過幾十億年的進(jìn)化，光合作用已經(jīng)非常完善。太陽燃料合成技術(shù)是人類道法自然的成果。它利用人工光合成，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成人類能利用的氫氣以及甲醇等各種化學(xué)物質(zhì)和氧氣。

這種技術(shù)在理論上是完全可行的。目前已經(jīng)出現(xiàn)光催化、光電催化、電催化太陽燃料合成技術(shù)，即利用太陽或太陽電能分解水制氫，然后通過二氧化碳加氫制甲醇、甲烷等，將分散而不連續(xù)的太陽能以化學(xué)能的形式貯存起來并加以利用。

目前總體看太陽能直接人工光合成制燃料的效率還比較低，達(dá)不到工業(yè)化生產(chǎn)的要求。因此還無法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘡幕剂贤耆缭降教柸剂希€需要時(shí)間不斷研究，構(gòu)筑高效、穩(wěn)定、廉價(jià)的人工光合成體系。但利用太陽能等可再生能源發(fā)電分解水制氫，然后二氧化碳加氫制備甲醇等液體太陽燃料已經(jīng)具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性。

中國石油石化：從化石燃料完全跨越到太陽燃料還需要時(shí)間，眼下它有什么利用價(jià)值？

李燦：化石能源為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，不可回避的是，化石能源作為燃料能源通過燃燒釋放能量，同時(shí)產(chǎn)生大量的二氧化碳。

二氧化碳減排已引起國際社會(huì)的廣泛關(guān)注。過去針對(duì)二氧化碳問題，關(guān)注點(diǎn)多在想方設(shè)法把二氧化碳收集封存起來。但目前二氧化碳封存技術(shù)還不成熟，處理1噸二氧化碳需要付出較高成本。實(shí)際上，二氧化碳不僅是溫室氣體，而且是碳資源。我們認(rèn)為減少二氧化碳更好的思路是把二氧化碳轉(zhuǎn)化成高附加值的化學(xué)品。

發(fā)展新能源、清潔能源，用新能源替代化石能源是必然趨勢(shì)，但替代不是一朝一夕可以實(shí)現(xiàn)的。因此，現(xiàn)階段應(yīng)該思考如何用新能源來解決化石能源的問題。太陽燃料技術(shù)綜合考慮太陽能轉(zhuǎn)化的效率、可規(guī)?；D(zhuǎn)化技術(shù)和技術(shù)的成本等，有望可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的資源化利用，是解決化石能源問題的有效方法。

助力CO2利用

中國石油石化：能否請(qǐng)您解釋一下太陽燃料技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)二氧化碳利用的？

李燦：最具有代表性的實(shí)現(xiàn)二氧化碳利用的方法是二氧化碳制甲醇。利用太陽能等可再生能源，通過光催化、光電催化分解水或電解水制氫，可以進(jìn)行二氧化碳加氫制甲醇等燃料及化學(xué)品。這是實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排和碳資源可持續(xù)利用最為可行的策略。

甲醇是非常重要的載能、儲(chǔ)能的平臺(tái)化學(xué)分子。把氫儲(chǔ)存到甲醇分子里，應(yīng)用時(shí)與水反應(yīng)把氫放出來，由此產(chǎn)生能量。據(jù)測算，甲醇分子載氫量可以達(dá)到12%以上。甲醇可以直接用作燃料或燃料添加劑，還可作為重要的化工原料來生產(chǎn)高附加值的化學(xué)品，比如乙烯、丙烯、芳烴等大宗化學(xué)品以及汽油和柴油，有非常好的市場和經(jīng)濟(jì)效益。近年來，甲醇的需求量非常巨大，每年的消耗量以5%～10%的速率上升。

二氧化碳加氫制甲醇離不開氫。氫是現(xiàn)代工業(yè)化學(xué)領(lǐng)域里非常重要的基礎(chǔ)燃料。電解水制氫是一種較為方便的制取氫氣的方法。但該轉(zhuǎn)化過程需要大量能源，一般成本太高，不宜大規(guī)模應(yīng)用。

我國光伏發(fā)電發(fā)展非?？欤灿龅搅艘恍﹩栴}，比如不能很好地并網(wǎng)等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2016年全國“棄水、棄風(fēng)、棄光”電量共計(jì)近1100億千瓦時(shí)。能不能把這個(gè)量利用起來制氫，然后以更多的氫與二氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生甲醇，從而既實(shí)現(xiàn)甲醇增產(chǎn)又實(shí)現(xiàn)二氧化碳利用？答案是肯定的。采用太陽能光伏產(chǎn)生的電能電解水制取氫氣再制甲醇的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)可再生清潔能源的高效利用，是在綜合考慮環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等因素后探索出的一條合理途徑。

中國石油石化：目前二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)進(jìn)展如何？

李燦：二氧化碳加氫制甲醇已經(jīng)在冰島實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化示范。冰島利用的并不是太陽能，而是當(dāng)?shù)刎S富的地?zé)豳Y源發(fā)電。國際上一些企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)在攻關(guān)高效催化劑及相應(yīng)技術(shù)。我國二氧化碳制甲醇的過程大多還在實(shí)驗(yàn)室階段，部分研究院所在進(jìn)行中試。

目前，實(shí)現(xiàn)二氧化碳加氫制甲醇產(chǎn)業(yè)化的瓶頸在于高效太陽能及可再生能源制氫技術(shù)和高選擇性、高活性二氧化碳加氫制甲醇催化技術(shù)的發(fā)展。我的團(tuán)隊(duì)致力于太陽能光催化、光電催化以及電解水制氫的研究，同時(shí)開展了二氧化碳加氫制甲醇的研究，以實(shí)現(xiàn)人工光合成太陽燃料戰(zhàn)略。多年來，我們發(fā)展了高效的二氧化碳加氫制甲醇催化劑和規(guī)模化電解水制氫催化劑，成功進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室小試和中試。在此基礎(chǔ)上，我們?cè)谔m州啟動(dòng)了千噸級(jí)工業(yè)化示范工程。

未來有希望

中國石油石化：根據(jù)您的介紹來看，太陽燃料技術(shù)還有待突破。您怎么看它的前景？

李燦：如果把能源看成一個(gè)大家庭，人工光合成太陽燃料還是個(gè)很小的孩子，而煤、石油、天然氣早已是成年人。當(dāng)下的能源需求要靠成年人，而未來需要靠培養(yǎng)現(xiàn)在的孩子。

現(xiàn)在太陽能電池技術(shù)已經(jīng)比較成熟。而在20世紀(jì)70年代，它也不過是能源大家庭里的一個(gè)孩子。當(dāng)時(shí)太陽能電池價(jià)格很高，只能用在航天、航空等高精尖領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，2010年太陽能發(fā)電的價(jià)格還是要比市場上煤電的價(jià)格高很多。但經(jīng)過近十年的發(fā)展，太陽能電池的價(jià)格已經(jīng)大幅下降，不到2010年的1/10。原來單位太陽能晶硅組件價(jià)格達(dá)300-400美元，現(xiàn)在低于20美元。近期，太陽能發(fā)電價(jià)格已經(jīng)接近煤電價(jià)格。

從太陽能電池幾十年的發(fā)展歷程來看，太陽燃料的未來很有希望，因?yàn)榧夹g(shù)革新發(fā)展的速度往往非常驚人。太陽能光催化和光電制太陽燃料極有可能是未來太陽能轉(zhuǎn)化利用的顛覆性技術(shù)。雖然目前仍屬于前沿科學(xué)，處于前瞻性的實(shí)驗(yàn)室研究階段，但相信隨著研究不斷深入，不久的將來會(huì)有突破性進(jìn)展。

中國石油石化：目前我國太陽燃料技術(shù)的進(jìn)展情況如何？

李燦：我們研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高效、穩(wěn)定、廉價(jià)制氫催化劑，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)電解水催化制氫成本降低20%～28%，而且實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)制1000立方米氫的規(guī)模。研發(fā)的二氧化碳加氫制甲醇催化劑具有廉價(jià)、高選擇性、抗硫中毒、穩(wěn)定性高等性能，已成功完成百噸級(jí)試驗(yàn)。

2018年我國首個(gè)規(guī)?；柸剂虾铣晒I(yè)化示范項(xiàng)目在蘭州新區(qū)啟動(dòng)。這個(gè)規(guī)模達(dá)到1000噸/年的二氧化碳加氫制甲醇工業(yè)示范項(xiàng)目，采用的核心技術(shù)是太陽能電解水催化制氫工藝，同時(shí)捕獲蘭州新區(qū)精細(xì)化工園區(qū)石化產(chǎn)業(yè)排放的二氧化碳。項(xiàng)目建成后將利用太陽能發(fā)電實(shí)現(xiàn)電解水制氫，氫氣和二氧化碳反應(yīng)合成甲醇等燃料及化學(xué)品，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排和碳資源可持續(xù)利用。