天下无小事

关注人间百态 追踪社会热点

如何向自然界学习?人工光合作用为移民火星打下基础

二氧化碳+水+阳光=碳水化合物+氧气,碳水化合物是人类所需要的一些重要的化学品。从能量转化和存储的角度看,就是把太阳能转化成化学能,储存在化学品当中。
能源与环境危机威胁人类生存
为什么要把二氧化碳转化成有用的化学品?过去一百多年来,在人类工业化进程当中,人类利用了大量能源,而能源的主要来源是化石燃料。现在全人类在地球上的能量总消耗大约15太瓦,1太瓦是10的12次方瓦特,80%-90%都源于化石燃料。

《如何向自然界学习?人工光合作用为移民火星打下基础》

在过去一百年当中,二氧化碳的浓度一直在上升,目前二氧化碳的浓度是410PPM(PPM是百万分率)。这个浓度从数量来说很小,但它对全人类的生存环境有重大影响。二氧化碳浓度在增加,涉及到全球暖化,海平面上升,环境污染、水污染、空气污染等一系列的问题,这意味着在接下来的几十年或者一百年当中,人类生存的环境将有重大转折。
现在科学界在全球暖化的问题上有两种预期。一个预期是,在本世纪末——也就是2100年的时候,全球气候温度的提高控制在2℃左右,那么到时陆家嘴还是陆家嘴。但如果还像过去一百年那样,大量利用化学能源,就会导致另外一个预期的情形——在2100年的时候全球平均温度提高4℃,海平面上升引起的洪水,会淹没一部分沿海城市,上海、纽约、旧金山、伦敦,都难以幸免。
可再生能源:从根本上解决全球变暖问题
怎样才能够从根本上改变全人类生存的能源结构呢?人类不可能永远依赖化石燃料,应该更注重可再生能源的利用。中国的经济发展非常迅速,所用的能量——电力一直在增加,接下来印度也会是这样,非洲也会是这样。所以全人类对能源的要求非常多,如果一直依赖于化石燃料,二氧化碳排放的问题只会越来越糟糕。从全社会角度来看,各个方面都必须要利用可再生能源。
可再生能源一般包括太阳能,风能,水能等。太阳能电池是生活中经常遇到的一种从太阳能到电能的转化。要在太瓦级(10的12次方瓦特)的层面上解决能源转化与存储问题是一个非常困难的事情。从长远角度来看,2016年中国能源架构大部分都是煤,煤的消费比重占了60%,剩下的是核能、水能、风能,太阳能消费比重仅是5%。虽然太阳能电池技术发明了有六七十年,但是它对整个能源工业界的渗透至今还是比较微小。到21世纪40年代,可以预见太阳能消费比重将加倍。在国家政策引导下,随着经济的发展,大规模利用水能、太阳能、风能将成为可能。这样可以在2040年把煤的比重降低到30%,剩下的由太阳能、风能和水能补充。所以要想从根本上解决全球变暖的问题,就要大规模利用这些可再生能源。
怎样真正在太瓦级层面应用可再生能源?从太阳能转化的角度来看,用太阳能电池转化成电能,必须要有一个庞大的电池系统储存这些电能。在加州太阳能相当普及,但是存储上面有问题。太阳能白天发电,但电网不能支撑,晚上用电有的时候反而没电,非常不稳定。很多时候会把一些免费的太阳能向周边的地区输送,亚利桑那州在夏天会收到从加州的太阳能电池发的电。这是一个还需要从电池方面来解决太瓦级储存需求的例子。
怎么才能实现人工光合作用?
能不能有这么一个技术,从太阳能转化成化学能呢?因为化学能的能量密度非常高,正因如此,才有利于大家开车出行等能量要求。
人工光合作用做什么事情呢?现在人们开车、坐飞机基本上都是用油,在这个过程当中能量被利用起来,排放二氧化碳和水到大气中。我们希望人工光合作用做的事情是把二氧化碳和水,再转化成汽油以及各种各样的化学品。二氧化碳是全球暖化最重要的物质,碳在整个过程当中是100%被循环,有这么一个系统会非常有用。
而且,化学燃料从根本上来说,都是通过光合作用存储起来的,能量最终的来源就是太阳,只不过它在过去几十万年存储在地球的表面,所以这应该是一个相对来说比较好的、终极的碳平衡方案,同时能够解决能源问题、包括二氧化碳排放的环境问题。

《如何向自然界学习?人工光合作用为移民火星打下基础》

那么怎么实现人工光合作用?这涉及到能量转化存储以及催化。这个反应从热力学角度来看是可行的,因为绿叶绿色植物每天都在做这个事情,只不过最终的碳化学品是不一样的。绿叶光合作用每天把二氧化碳和水变成氧气,碳变成了碳水化合物,而且能够利用自然界中仅400PPM浓度的二氧化碳来做这个化学反应,它的最终效率(太阳能到化学能)和人工光合作用比不是太高,但完全能够满足它生存的需要。
在实验室学习自然界的光合作用,首先要理解它的原理。
前面两个步骤涉及到光系统Ⅰ和Ⅱ,两个都是有机高分子的集成体。光系统Ⅰ和Ⅱ捕获太阳双光子,从紫外到近红外,可以一直捕捉到波长750nm的光,整个太阳能光谱它都能够捕捉。捕获双光子之后在光合作用中产生电子,之后在催化剂的表面会产生化学反应,形成新的化学键,新的化学键往往能量密度很高。
上图中左右两边的反应,就是我们通常所说的半反应。左边的半反应催化剂的作用是“水氧化”,也就是把水分子活化以后,分解变成氧气,这里涉及到生物催化剂。右边的半反应是“二氧化碳还原”,就是把环境当中的二氧化碳转化成碳水化合物,这里涉及到另外一个催化剂,里面有一些金属有机的活化中心。伯克利的化学家在六七十年代获得了诺贝尔奖,理清了在绿叶里面“二氧化碳还原”的机理。把自然界光合作用的机理理清之后,就可以在实验室当中进行模拟。但自然界的光合作用,从太阳能到化学能的存储效率,一般来说只有0.5%,甘蔗能够做到0.5到5个百分点。所以在实验室当中不仅要学习自然界,而且要比它更稳定,效率还要更高。因为如果只有0.5%的存储效率,作为技术来说不可能被推广——因为人类所需要的能源是太瓦级的。
那么怎么来模拟光合作用?这个是通常所说的光化学二极管。

《如何向自然界学习?人工光合作用为移民火星打下基础》

光学二极管模拟的是一个半导体跟催化剂集成的系统,在光化学二极管里面,有两种半导体,一种是P型,另一种是N型。不同的半导体有不同的能带,能够吸收不同的光。所以这两种半导体的功能等效为光系统Ⅰ和Ⅱ,也是双光子吸收。两个光子进去,把P型的半导体和N型的半导体活化,活化以后在P型和N型半导体的表面放一些催化剂,在绿叶里面两个半反应有两类催化剂,一个是氧化,一个是还原,所以在实验室当中也是一样的。
P型半导体表面所做的反应就是二氧化碳的还原半反应,二氧化碳还原可以产生各种各样的产物,也包括绿叶里面的碳水化合物。另外一边的半反应就是水氧化,也就是绿叶里面另外一个半反应——水氧化变成氧气。所以这么一个光化学二极管,在实验室里面通过两类催化剂和两类半导体的集成之后,最终的功能是一样的。双光子吸收加上两个半反应,最终的全反应就是二氧化碳、水、加上太阳能,双光子,变成二氧化碳还原的产物——化学品和氧气。
所以,光学二极管和绿叶里面的光合作用是类似的。当然,大家知道绿叶里面没有硅、锗、氮化镓等这些半导体,都是通过有机的光吸收体和金属有机的催化剂来实现的。这属于从自然界中学习,然后在实验室里面进行抽象设计。
太阳神计划:如何向自然界学习?
2003年,美国能源部在伯克利国家实验室启动了“太阳神计划”。它的目的就是如何向自然界学习,利用半导体与催化剂,把二氧化碳转化成有用的化学品,同时还要进行平衡:做到水氧化的过程。
下图可以看到一些棒状的东西,设想当中是一些高比表面积(指单位重量的物体的表面积大小。通常比表面积越大,说明物体的细度越细)的半导体,一个是P型,一个是N型。在高比表面积半导体上面负载两类催化剂,一类是二氧化碳还原催化剂,一类是水氧化催化剂。这里一直有两个半反应,还有两个光吸收体。整个系统能够做出来,就能够完成前面所需要的全反应。这只是个蓝本,真正把催化剂跟吸收体集成在一起——我们用了十来年的时间才做出第一个集成体系。

下图是比较普及的光阴极做二氧化碳还原反应的体系,硅的纳米导线阵列,可以用它来做光吸收体,同时它是一个高比表面积的半导体,可以在上面负载一个催化剂。

下图是一张电子显微镜拍的照片,这是一个三维的纳米导线阵列,纳米基本上是头发丝的一千到一万分之一的尺度。三维的高比表面积空间,可以在表面负载催化剂,生物催化剂也好,实验室合成催化剂也好,都可以用来做化学反应。

《如何向自然界学习?人工光合作用为移民火星打下基础》
在2014年的时候,我们实验室第一次把整个系统集成在一个体系当中,有两个半导体、两类催化剂。一个半导体做水氧化变成氧气,另外一个引入生物催化剂,把二氧化碳变成了醋酸。这里面全反应是什么样的?就是二氧化碳加上水加上太阳能,变成氧气和醋酸,这是全反应。醋酸是非常简单、但又非常重要的化学中间体。一旦有了醋酸以后,可以利用现在已有的工业技术,转化成其他各种各样的化学品,像汽油、高分子、药的前驱体等。这是利用自然界中光合作用的全反应的原理学习,第一次在实验室的模拟材料当中体现出来的。
在2014年的时候,太阳能到化学能转化效率大概跟绿叶的转化效率差不多,达到0.5个百分点。经过过去四五年时间,现在基本能够做到8%到10%,能量转化效率比自然界的光合作用要高得多,虽然选择性上面可能跟自然界不能比。

能源工业、化学工业、制药工业,所有这些化学品,其中的碳从哪里来?现有的工业都是从地底下挖出来的。人工光合作用体系能够从根本上解决这个问题,现在所有这些合成出来的新东西,这里面的碳是从大气当中的二氧化碳来的,也就从根本上解决了二氧化碳排放问题和循环问题。真正能够用太阳能,把二氧化碳固定下来,把它转化成有用的化学品,包括化学燃料,包括药品,包括人类生存所需要的高分子材料。
回归到一开始,在2003年启动太阳神计划最初的愿景,就是找到这样一个合成体系,把太阳能转化为化学能然后高效存储。能够用这么一个体系利用不同的生物催化剂,把二氧化碳转化成燃料、药品和商业化学品。
火星上的光合作用中心:为移民火星打下基础
2003年启动太阳神计划的时候,我们的愿景是解决全球暖化的问题,把地球表面上的410PPM的二氧化碳重新利用。在这个背景当中,全世界范围内有这样一个梦想——外太空探索。
伊隆·马斯克一直说要做火星移民,一直在研发新型火箭推动系统,要把人类放到火星上面去。这里面有两个重大问题,一个是怎么上去?SpaceX和Blue Origin这两个公司一直在研究如何高效的把人类送到火星。另外一个问题是人类到了外太空如何能生存下来?因为人类需要能源、化学品、药品、肥料等。
2017年,美国宇航局知道了我们这么一个半导体和生物体系,能够真正做人工光合作用,于是在加州大学伯克利分校第一次成立了空间技术研究所,来解决人类在外太空、深太空所需要的能源和化学品的问题。这又会面临什么科学问题呢?这样一个人工光合作用的化学反应,在地球上可行,但是在外太空会是什么样?

 

《如何向自然界学习?人工光合作用为移民火星打下基础》这涉及到环境问题。在地球上面,大部分是氮气和氧气,二氧化碳是0.04%——400PPM,人工光合作用就是为了化解二氧化碳的排放和循环问题。而火星表面的气体成分,96%是二氧化碳,它有一点点的氮气,很少的氧气,它的光照强度是地球上面的60%,这也是为什么人工光合体系的结果一出来,美国宇航局对我们的研究非常感兴趣的原因所在。
这个化学反应能不能用在这儿?从化学的角度来看,是肯定可以的。在地球上,二氧化碳浓度是0.04%,暂时还不能在这种情况下用,这个浓度太稀了。现在能够做的体系,只能在纯的二氧化碳下,需要把大气当中的二氧化碳富集,才能利用。但是把我们的系统放到火星的环境当中,是完全可以工作的,因为火星大气96%都是二氧化碳,不需要再把它富集。人类要生存,首先需要氧气,火星上大量高浓度的二氧化碳加上水(火星表面下存大量冰),再加上太阳能,能够解决氧气问题;其次,还可以把二氧化碳转化成一系列有用的东西。所以从化学的角度,这个设想应该是可行的。
很有意思的是,美国宇航局2017年在伯克利成立了一个科研中心,来试探人工光合作用在火星表面未来的应用。我们来粗略计算一下。比如将来去火星的第一批宇航员有6个或12个人,想像我们的系统能做到一个立方米(1000L)。以现在的的转化效率来说,能够做到350g/day/1000L,再转化到丁醇是100g/day/1000L。我们需要考虑宇航员每天、每个月、每年需要多少燃料、化学品和药品,然后进一步把这个系统优化,继续增加产量。利用尽量小的体积,来生产尽可能多的燃料、化学品加上药品,这是我们接下来要做的一个非常有希望成功的事情。
前面一直在说利用二氧化碳和水变成一系列的东西,但是人类生存还需要肥料来种植植物,那就有固氮的问题。Matt Damon在电影《火星救援》里在施肥,看过这个电影的大家知道他是没有肥料的,他只能利用自己的排泄物做肥料。但是我们希望能够利用氮气、太阳能转化成肥料,和人工光合作用是同样的一个过程——利用一些生物的催化剂,集成到高比表面积的半导体上面。这个也是我们接下来要做的事情。
所以作为一个愿景,2003年启动太阳能计划,在这十几年中间,从在图纸上画出一个高比表面积的半导体,到集成一个人工光合作用的体系,再到第一次在实验室当中把二氧化碳、水转化成所需要的化学品,这些就是我们一步一步完成的工作。

点赞

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注