太阳能转变为燃料！没错，梦已成真！

材料牛注：瑞士科学家们利用太阳能，成功合成人造燃料，尽管产物中可直接使用的燃料较少，但把太阳能转变为燃料，已从梦境走入现实！

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，有潜力可持续地满足未来能源的所有需求。但有一个未解决的问题：太阳不会一直发光，并且它的能量很难储存。瑞士保罗谢尔研究所（PSI）和苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究者们率先发现了一种利用太阳的热能将二氧化碳和水直接转化为高能量燃料的化学方法：这种方法是在二氧化铈和铑合成的新材料基础上发展起来的。这一发现标志着太阳能化学法储存向前迈开了重要一步。研究者们在Energy和Environmental Science杂志上公布了他们的研究发现。

太阳的能量一直以各种各样的方式被加以利用：比如光伏电池将太阳光转变为电流，再比如火箭的热装置利用大量的太阳能将燃料流体加热至高温。太阳能热功率设备大规模应用了第二种方法：使用数以千计的镜子，将太阳光聚焦到热水器上，从而直接或者通过热交换器在超过500℃的温度下来产生蒸汽，随后涡轮机将热能转化为电能。

瑞士保罗谢尔研究所(PSI)和苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究者们合力开创性地研发出了该方法的替代手段，这种新的替代手段利用太阳的热能将二氧化碳和水转化为人造燃料。

瑞士保罗谢尔研究所(PSI)的太阳能技术实验室的化学家Ivo Alxneit解释道：“这种方法可以将太阳能以化学键的形式储存起来，这比储存电流要容易多了。”这种新方法的原理和太阳能设备的原理相似。Alxneit和他的同事们使用高温是为了引发只有在超过1000℃高温下才进行的化学反应。随着太阳能技术上的发展，在不久将来就能够用太阳光来实现这一高温。

Alxneit的研究是基于热化学循环原理，这一原理包含了化学转变和某种物质所需热量的循环过程，专家们将其称为热能。十年前，研究者已经证明了低能量物质（水、二氧化碳）转化为高能量物质（氢气、一氧化碳）是可能的。

这种情况发生在特定的材料中，例如二氧化铈，金属铈和氧的化合物。在超过1500℃的高温时，二氧化铈失去一些氧原子，而在低温时，这种还原材料可以重新得到氧原子。如果直接将水和二氧化碳分子置于这种活泼的表面，它们会释放氧原子（化学符号：O）。水(H₂O)转变为氢气(H₂)，二氧化碳(CO₂)转变为一氧化碳(CO)，同时在反应中的铈重新被氧化，为再一次的二氧化铈循环做准备。

在这一过程中产生的氢气和一氧化碳可以用来生产燃料：特别是气态或者液态的碳氢化合物，例如甲烷、汽油、柴油。这些燃料可以直接使用，也可以储存在罐子中，又或者注入天然气供气网中。

到目前为止，生产这种燃料还需要另一个独立的方法，即1925年提出的费托合成法(the Fischer-Tropsch Synthesis)。欧洲研究团队SOLAR-JET最近提出了将热化学循环和费托合成法结合起来的新方法。

然而，正如Alxneit解释道：“尽管我们已经基本上解决了太阳能的储存问题，但是为了获得可行的科技成果，我们有必要进行费托合成。”除了太阳能装置之外，又一个工业化科技工厂也需要进行费托合成。

Ivo Alxneit和他的同事研发了一种可以直接一步合成的材料，这种新方法没有采用费托合成法，因此也无需进行第二步。这种方法是通过在二氧化铈中添加少量的铑来实现的，铑是进行化学反应的催化剂。人们很早就知道，铑可以催化氢气、一氧化碳、二氧化碳发生反应。

Alxneit说：“催化剂是这些太阳能燃料生产的关键因素。”他的瑞士保罗谢尔研究所(PSI)的博士生Fangjian Lin强调道：“对这些化学反应来说，极端的反应状态是必不可少的，而控制这些极端反应状态并研发一种可以忍耐1500℃活化阶段的催化剂是我们面临的巨大难题。”例如，由于材料表面上极其小的铑的岛状物对预期的催化过程至关重要，所以在冷却阶段它们的大小不能发生任何变化。最终燃料一部分被消耗，一部分储存起来。一旦二氧化铈被重新激活，循环过程则再次开始。

瑞士保罗谢尔研究所（PSI）和苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）实验室的研究者们，通过使用各种各样的结构和气体分析的标准方法，仔细地检测了铈-铑化合物，探究二氧化铈减少的工作原理以及甲烷是如何成功合成的。Alxneit.总结道：“尽管我们的合方法只能产生少量的可直接使用的燃料，但是我们已经证明了我们理论的可行性，它将我们从科幻领域领入了现实。”

实验中，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究者们使用高性能炉取代太阳能，从而简化了整个实验过程。瑞士保罗谢尔研究所（PSI）和苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的博士Matthäus Rothensteiner（该实验检测责任人）解释：“在测试过程中，热能的实际损耗是非实质的。”

瑞士保罗谢尔研究所（PSI）催化实验室和Sustainable Chemistry的主席、苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）多相催化专业教授Jeroen van Bokhoven补充道：“这些测试能使我们对催化剂长期稳定性获得深刻的见解。高性能炉能帮助我们实现连续59个循环实验。我们研发的新材料已经轻松通过了第一次耐久性测试。”这足以说明他们的方法在原则上是可行的，现在研究者们可以全力以赴的投入到最优化实验中去了。

参考原文链接：How solar energy can be transformed into fuel

本文由编辑部丁菲菲提供素材，樊超编译，刘宇龙审核。

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