中國科學院院士李燦：

　　發展人工光合成產(chan) 業(ye) 是“一石三鳥”之舉(ju)

　　【院士訪談】

　　◎本報記者 張佳星

　　自然界的光合作用給了我們(men) 啟發。光合作用的本質是能量固定的過程。以人工方法實現光合作用的研究持續了很多年，有光催化、電催化、熱催化、酶催化等技術路線。這些研究正朝著不斷提高人工光合作用的效率、實現規模化生產(chan) 的方向前進。

　　黨(dang) 的二十大報告指出，推動經濟社會(hui) 發展綠色化、低碳化是實現高質量發展的關(guan) 鍵環節。

　　實現綠色化、低碳化發展，自然界本身就蘊藏著可借鑒的路徑。比如，光合作用不僅(jin) 消耗二氧化碳，還將光能固定，為(wei) 生命活動提供必需的能量。光合作用與(yu) 能源利用過程可構成一個(ge) 完整的生態循環。如果讓光合作用規模與(yu) 能源利用規模實現平衡，則可同時實現碳減排與(yu) 經濟發展。

　　然而，自然界光合作用在短時間內(nei) 消納的二氧化碳數量有限。那麽(me) ，是否可以用工業(ye) 化的方法，將光能固定，為(wei) 生產(chan) 生活提供能量，同時實現二氧化碳的消化或者利用呢？

　　答案是肯定的。在“雙碳”目標的引領下，我國科研人員正在不斷完善人工光合成技術。“它的規模化應用不僅(jin) 可以充分利用可再生能源，大規模消納二氧化碳，還能解決(jue) 能源的多樣化問題，以多種方式儲(chu) 存能源便於(yu) 不同行業(ye) 產(chan) 業(ye) 的利用，實現‘一石三鳥’的創新路徑。”近日，中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員李燦就此接受了科技日報記者專(zhuan) 訪。

　　光伏發電能量利用率大幅提升

　　記者：當前光伏發電技術已經相對成熟並且應用廣泛，還需要對太陽能進行更進一步的利用嗎？

　　李燦：光伏發電是大家最熟悉的太陽能利用方式，其能量利用率近年來大幅提升，提升速度是10年前難以想象的。過去晶矽電池的太陽能利用率隻有百分之十幾，而今，太陽能的工業(ye) 化利用效率平均可達22%，在實驗室能達到26%。理論物理學家估算，太陽能單晶矽電池的太陽能利用率的極限值為(wei) 31%，因此可以說，以光伏發電的方式利用太陽能，其能量利用率已經非常接近極限值。

　　如今，能量利用率不再是關(guan) 鍵製約問題，並網利用的問題隨之凸顯。目前在我國新疆、青海、內(nei) 蒙古、甘肅等西部地區，光伏發電量巨大。受資源分布限製，光伏、風電等的發電量大多來自偏遠地區，這些地區很難鋪設規模化電網或者特高壓電網，發出的電難以並網使用。正因為(wei) 如此，這些年出現了“棄風棄光”現象。

　　到2030年，我國光伏發電、風電裝機容量要達到12億(yi) 千瓦的目標。目前看，這個(ge) 目標可以超額完成，當前更大的挑戰在於(yu) 如何實現巨量風、光發電的有效利用。

　　為(wei) 了解決(jue) 這些問題，我們(men) 提出將太陽能轉化為(wei) 燃料或化學品加以利用(Power-to-X)，從(cong) 而通過適宜技術高效、便捷地使用大量已經發出來的電。

　　記者：您提到的適宜技術具體(ti) 指什麽(me) ？目前有哪些適宜的技術，應用後可達到怎樣的效果？

　　李燦：這些技術是指在不修建輸電網的基礎上，將可再生能源產(chan) 生的電能轉化為(wei) 其他能源形式，例如可運輸的液體(ti) 燃料。

　　自然界的光合作用給了我們(men) 啟發。光合作用的本質是能量固定的過程。以人工方法實現光合作用的研究持續了很多年，有光催化、電催化、熱催化、酶催化等技術路線。這些研究正朝著不斷提高人工光合作用的效率、實現規模化生產(chan) 的方向前進。

　　實現人工光合作用的規模化利用，將給生產(chan) 生活帶來很大變化。比如工信部正在倡導甲醇燃料汽車，以綠色甲醇代替汽油將大大降低汙染物排放，並實現碳中和。另外，甲醇、甲醛等是材料合成、生物醫藥等工業(ye) 的原材料，通過二氧化碳轉化的方式獲得這些原料將大大降低相關(guan) 產(chan) 業(ye) 對化石資源的依賴。在人工合成澱粉的研究中，我們(men) 團隊參與(yu) 了前端環節。這項研究通過把二氧化碳轉化成甲醇，再進一步合成碳水化合物，有望帶來人類獲取食物模式的變革。

　　人工光合成產(chan) 業(ye) 發展迎來新契機

　　記者：以人工方法實現光合作用的優(you) 勢是什麽(me) ？

　　李燦：發展人工光合成產(chan) 業(ye) ，初衷是把取之不盡的太陽能有效利用起來。10年前，中國科學院開啟了一個(ge) 太陽能利用行動計劃，由我和褚君浩院士領銜推進。計劃啟動之初，我們(men) 對中國太陽能利用水平、技術路徑、產(chan) 業(ye) 規模等做過全麵的戰略分析，認為(wei) 發展人工光合成產(chan) 業(ye) 是極具潛力的方向之一。

　　隨著我國“雙碳”目標的確定，人工光合成產(chan) 業(ye) 迎來發展契機。光合作用的主要原料是二氧化碳和水，可以把二氧化碳從(cong) “廢氣”變為(wei) “資源”。

　　當前人類已經發展了一些消納二氧化碳的技術，比如碳捕捉、碳封存，把工業(ye) 排放的二氧化碳捕捉下來注入到深井裏封存起來，但這種方式是淨投入的，後續沒有產(chan) 出。人工光合成方法卻可以“變廢為(wei) 寶”，在消納二氧化碳的同時，生產(chan) 出原料。因此我認為(wei) ，人工光合成是可持續發展的“碳捕捉”方式。

　　記者：這樣看來，二氧化碳也是一種資源，應如何利用這種資源呢？

　　李燦：二氧化碳的資源化利用研究由來已久，但由於(yu) 二氧化碳的強惰性，需要足夠的能源來激活，不像氫氣、氧氣活潑易利用，因此相關(guan) 研究進展緩慢。

　　現在情況不同了，我前麵說到光伏發電量大且成本降低，但並網困難。人工光合成技術可以將這些能源利用起來，比如一步法電解二氧化碳製備烯烴和含氧化合物等。另一種規模化轉化二氧化碳的技術是兩(liang) 步法，即通過光伏發電電解水製氫，然後加入二氧化碳製甲醇、汽油，再製成各種化學品。目前，通過這種方法製備甲醇已經進入工業(ye) 示範階段，製備汽油處於(yu) 中試階段，其他產(chan) 品的製備還處於(yu) 基礎研究階段。據估算，這種方法可為(wei) 市場提供約1億(yi) 噸甲醇，減排空間達3.5億(yi) 噸；如製備汽油，減排空間達到6億(yi) 噸以上；其他製備路徑也可在提供工業(ye) 原材料的同時，實現數億(yi) 噸的碳減排。

　　推進技術的工業(ye) 化落地是係統工程

　　記者：既然二氧化碳的資源化利用能帶來多方麵的收益，那為(wei) 什麽(me) 它的發展沒有我們(men) 想象的順利？

　　李燦：隨著技術的進步，很多以前認為(wei) 不可能的或艱難的工作，已經具備了條件。比如，製氫曾被定義(yi) 為(wei) 一項非常困難、非常耗能的技術，但實際上目前其成本已經非常可控了。當離網電價(jia) 在每度0.3元時，電解水製氫成本是每公斤18元，比煤化工製氫的每公斤10元貴不少；但當離網電價(jia) 降到每度0.1元時，製氫成本降到大約每公斤7元，在此基礎上製備工業(ye) 原料甲醇成本僅(jin) 每噸1700元，比煤化工製甲醇每噸2500元的成本低很多。而光伏國際招標價(jia) 已經降到每度0.14元。可見，太陽能發電電力成本的大幅降低，為(wei) 人工光合成過程中的氫氣、甲醇製備等問題“鬆了綁”。

　　記者：應如何推動人工光合成的產(chan) 業(ye) 化發展？

　　李燦：從(cong) 最開始的基礎研究、催化劑篩選到最終落地、規模化生產(chan) ，甚至帶動產(chan) 業(ye) 鏈的延伸，整個(ge) 鏈條非常長，也麵臨(lin) 一係列困難。

　　首先是成本問題。很多研究在實驗室表現非常好，發的論文也很漂亮。但能不能轉化落地、在市場中生存下來，成本是決(jue) 定性因素。這要求研究團隊在進行基礎研究時就考量生產(chan) 過程的反應條件、工程造價(jia) 等問題，在成果轉化過程中與(yu) 企業(ye) 合作攻關(guan) 、不斷調整優(you) 化方案，並與(yu) 地方政府通力合作，促成項目落地。

　　其次是協同攻關(guan) 問題。人工光合成的技術鏈條很長，一個(ge) 企業(ye) 很難在各類技術中都處於(yu) 最優(you) 狀態，需要多家企業(ye) 合作。目前，以我們(men) 團隊的研發成果為(wei) 核心，在蘭(lan) 州新區已經建起了液態陽光甲醇合成示範項目。這一項目從(cong) 零起步，沒有任何可借鑒的樣板，必須開展協同創新。目前這一項目正在與(yu) 中煤集團合作推進十萬(wan) 噸級的工業(ye) 化生產(chan) 。

　　當前更多的人工光合成技術路線正在邁向產(chan) 業(ye) 化，例如冰島利用地熱能發電的二氧化碳製備甲醇技術已實現中試，智利進行了用空氣中捕獲的二氧化碳製備綠色汽油的百噸級示範；我國也進行了二氧化碳加氫製甲醇的工業(ye) 化示範。未來，期待各方力量轉變現有的碳減排思路，形成合力，挖掘二氧化碳資源化利用的潛力，從(cong) 而在解決(jue) 能源問題的同時實現低碳發展。(科技日報)