第9章 大气污染防治领域的新进展(8)

光合作用是指植物等在可见光的照射下，经过光反应和暗反应（又称碳反应）两个阶段，利用光合色素，把光能转化为化学能，把二氧化碳（或硫化氢）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过程。在此次研究中，研究人员把光反应和碳反应分离开来，不利用生物的光合作用，而改用太阳能电池板把阳光转化为电能，随后形成化工中间体，以其促进二氧化碳的固定，最终生成燃料。

廖俊智解释说，这一方式将比普通的生物系统更为有效。后者需要基于大量农耕土地种植植物，新方式则由于不需要光反应和碳反应同时发生，所以可把太阳能电池板置于沙漠中或屋顶上。

理论上，太阳能发电所产生的氢，可促使转基因微生物中的二氧化碳转化，以形成高能量密度的液体燃料。但溶解性低、质量迁移率低，以及和氢相关的安全隐患，都制约了这一过程的效率和可扩展性。因此，研究小组采用甲酸替代氢，作为中间体和高效的能源载体。研究人员表示，他们首先借助电力产生甲酸，再利用甲酸促进二氧化碳在细菌中的固定，在黑暗中生成异丁醇和高级醇。

廖俊智表示，电气化学中甲酸盐的生成，生物学中二氧化碳的固定，以及高级醇的合成，都为电力驱动二氧化碳向多种化学物质的生物转化开启了可能。此外，甲酸盐转化为液体燃料也将在生物质炼制过程中发挥重要作用。

2.依据光合作用原理把二氧化碳转化为燃料

（1）依据光合作用原理把二氧化碳变成汽油。2007年4月，有关媒体报道，美国加利福尼亚大学化学教授克利福·库比亚克主持的一个研究小组，已经证明，依据光合作用原理，利用太阳能加上合适的催化剂，就可以把二氧化碳转变成生产塑料、汽油等产品所需的原材料。

研究人员向人们演示：利用硅棒把吸收的光能转化成电能，可以加快将二氧化碳转化成一氧化碳和氧气的光合作用。库比亚克说，一氧化碳是一种重要的化学制品，广泛用于塑料和其他产品的生产过程中。它还是生产煤气、甲醇和汽油等合成燃料所需的重要配料之一。

加拿大安大略皇后大学的化学教授菲力普·杰索普说，人们一直在寻找二氧化碳气体的实际用途，加利福尼亚大学的研究人员，就是在这个过程中找到这种方法的。通常情况下，二氧化碳很难转换成一氧化碳，因此杰索普教授对加利福尼亚大学取得的这项成果，给予很高的评价。

库比亚克说，至少在刚开始的时候，这种方法是不会对大气层中的温室气体造成显著影响的，除非大规模进行这种转换，才可能对温室气体在大气中的比例造成显著影响。但是任何把二氧化碳用做原料，而不是最终产品的化学加工，都是值得去做的。他补充说：“如果化学制品厂商们需要生产大量的塑料，那么为什么不利用温室气体来生产呢？它总比在塑料的生产过程中产生大量的温室气体要好一些。”

这个光合作用，还可以用到持续解决太阳能问题的解决方案中。要想在太阳光不强的时候使用太阳能电池板，它们产生的电能就必须被储存起来。将电能转化成化学能储存起来也许是一个很实用的好办法。比较流行的做法是用太阳能电池来生产氢，然后再用氢去生产燃料电池。但是氢气在运输和储存方面比汽油等液体燃料要困难得多，而且汽油等液体燃料所包含的能量，也比同体积的氢气包含的能量要多。加利福尼亚大学研究出来的方法，可以利用太阳能来生产一氧化碳，然后再与氢发生反应而转变成汽油。现在，一氧化碳主要是从天然气和煤加工得到的。但是二氧化碳是一种更好的原材料，因为它的成本非常低廉。杰索普说，实际上现在许多企业，还要花钱来处理二氧化碳气体的排放。有极少数的化学制品，是比免费还要便宜的，二氧化碳就是其中之一。

在样品设备中，阳光穿过了溶解在溶液中的二氧化碳，然后被一根半导体负电极吸收，这个负电极可以把光子转化为电子。在合适的催化剂的作用下，电子与二氧化碳反应就会在负电极周围产生一氧化碳。而在正电极附近，在铂催化剂的作用下，水就分解为氢气和氧气。

利用著名的费托合成技术，一氧化碳可以与氢气反应而生成煤气。但是生产煤气的新工艺，是不需矿物燃料的。

库比亚克原本是想利用这套设备来制造氧气供载人航天飞机探索火星使用的，现在这套设备仍在开发之中。第一套样品设备利用太阳能只得到了反应所需的一半能量，另一半能量是通过外部电能提供的。那是因为研究人员决定证明，硅可以用作半导体。他们现在正在研究一种磷化镓半导体，打算只用它来提供光合作用所需的电能。

库比亚克表示，目前，这项研究还处于初级阶段。他预计这项研究要想投入商业化生产，可能还要10年的时间。因此，现在还无法知道，这种生产燃料的方法效率如何和是否经济。他说，在大规模应用中，可能需要使用外裹了催化剂的纳米粒子来增加接触面积和加快反应的速度。

（2）模仿植物光合作用把二氧化碳转化为天然气。2008年5月，由西班牙专家马罗托·巴莱尔领导的一个英国研究小组，发明了一项模仿植物光合作用，把二氧化碳转化为天然气的新技术。

这一技术是英国诺丁汉大学碳捕获和存储技术创新中心专家的研究成果。该中心已经发明几项技术，收集热电厂、水泥厂和石油提炼工厂等高污染工业释放出来的二氧化碳，并将其储存在废弃油井或天然气井等地质沉积场所。但把二氧化碳“隐藏”在地下的方法，虽然减少了大气中的二氧化碳含量，但有人对此表示担忧，因为目前尚不清楚二氧化碳的最大存储期限，一旦它们大规模散发出来，将造成严重的环境后果。

因此，科学家利用一个与植物光合作用相似的过程，发明出把二氧化碳转化成天然气主要成分沼气的技术。植物把二氧化碳、水和阳光转化成糖，而该技术则用这3种物质合成沼气而不是碳水化合物。

马罗托·巴莱尔表示，如果这一技术在全球范围使用，将带来完美的能源循环。

3.运用合成方法把二氧化碳转化为燃料

（1）用二氧化碳和“废电”合成燃料。2012年4月19日，德国慕尼黑工业大学发表新闻公报说，工业排放的二氧化碳破坏环境，发电厂生产的过量电能何处去也常让人头疼。针对这种情况，该校研究人员将在一个与政府、企业联合开展的项目中，探索利用这两者生产燃料甲烷。

现阶段，提出能源转型的德国正大力发展太阳能、风能等可再生能源。但风强日烈时产出的过量电能，面临储存难题。研究人员考虑，将传统发电厂等企业所排废气中的二氧化碳，与这些“废电”结合，生产较容易储存的甲烷。

用二氧化碳制甲烷已非新闻，但这种方法的实际应用尚未成熟。在这个名为iC4的项目中，研究人员将对净化废气到产出甲烷整个过程中的各个核心技术开展研究。德国联邦教研部将对项目资助630万欧元。

为实现能源转型，德国研究人员正为如何充分利用难以储存的多余电能，大动脑筋。抽水蓄能电站在环保上仍存争议，用多余电能生产氢气又面临氢气储存条件苛刻的难题。相比之下，甲烷的储存较为方便，这种气体还可直接进入欧洲天然气网，供至千家万户。

（2）用阳光、水和二氧化碳合成燃料。2014年4月29日，德国航空航天中心宣布，由该机构参与的一个国际研究小组用阳光、水和二氧化碳合成了液态烃，该物质可用来制造煤油。

首先，研究人员在太阳能反应器中，把金属氧化物分解为金属离子和氧离子，该过程所需的2000℃高温，可借助聚光的太阳能接收器获得。然后，让二氧化碳和水蒸气，穿过太阳能反应器，两者与此前分解出的金属离子和氧离子反应，生成由纯度很高的氢气和一氧化碳混合而成的合成气。

用这种合成气生产煤油可借助已有技术，即所谓的“费托合成法”完成。该方法以上述合成气为原料，在铁系催化剂和特定条件下合成液态烃，其中含轻质烃较多的液态烃可用来生产煤油。

德国航空航天中心说，研究小组已用这套新工艺成功制造出煤油。此后，该小组将进一步优化太阳能反应器等设备，探索将该工艺用于工业化生产航空煤油的可能性。

这项研究工作，是2011年1月启动的“太阳能-飞机”项目的组成部分，该项目受到欧盟为期4年的资助。除德国航空航天中心外，该项目合作伙伴，还包括瑞士苏黎世联邦理工学院、鲍豪斯航空协会和壳牌公司。

4.运用催化或发电等办法把二氧化碳转化为能源

（1）通过催化作用把二氧化碳转化为工业甲醇。2012年7月，德国亚m工业大学的一个研究小组，在德国期刊《应用化学》上发表研究报告说，他们发现，通过催化作用，可以把二氧化碳转化为工业甲醇。甲醇是重要的化工原料和清洁的液体燃料，被广泛用于医药、农药、燃料等领域。目前，工业生产甲醇，主要由氢气和一氧化碳在高温高压和多相催化下完成。

该研究小组表示，大量燃烧化石燃料产生的二氧化碳，被视为全球变暖的“元凶”。但他们实验中发现，在一种金属催化剂钉-膦络合物的均相催化作用下，二氧化碳和氢气可在加压溶液中生成甲醇，1个二氧化碳分子和3个氢气分子反应后生成甲醇和水。

研究人员说，利用这种方法，把人们希望减排的温室气体二氧化碳与氢气结合，使它转化为甲醇，是对二氧化碳比较理想的处理思路，不过这对催化剂有着很高的要求，他们将继续寻找更为合适的催化剂。

（2）开发用二氧化碳发电的新技术。2013年7月，荷兰可持续用水技术研究中心项目主管伯特·哈梅尔莱斯领导的一个研究小组，在美国化学学会杂志《环境科学与技术》上撰文说，他们发现一种用发电厂释放出的废弃二氧化碳发电的新技术，可产生比美国胡佛水坝多400倍的电量。他们的系统，包括把水、其他液体与含有由高浓度二氧化碳组成的燃烧气体混合后，从两层过滤膜间泵出，产生电流。

研究人员说，煤炭、石油和天然气发电站，每年产生120多亿吨二氧化碳，另外家庭和商业供暖系统又产生110亿吨二氧化碳。为此，他们提出，把发电厂和工业烟囱排放出来的废气用作发电原料。他们认为，这种用发电厂、工业和家庭排除的二氧化碳制造能源的方法，一年可产生15700亿千瓦时的电能。

哈梅尔莱斯说，这些电量相当于胡佛水坝一年电输出量的400倍。他指出，产生这些电量的同时，不会向大气排放任何额外的二氧化碳。但它不会像碳捕捉与储存技术一样从地球大气中把二氧化碳清除。哈梅尔莱斯说：“你用的是现在你浪费的能源。你把它收集起来，制造出更多能源，但你不能把它封存起来。”

碳捕捉与储存技术，是把发电厂等设施的二氧化碳收集起来，然后把它储存在一个地方。这个储存场所，埋藏于地下一个地质构造层。碳捕捉与储存技术，具有控制矿物燃料引起全球变暖的潜能，但这种方法，现在只用在商业上，长期储存二氧化碳依然是个比较新的概念。

由于荷兰科学家研发的这项技术，当前还是一项概念验证技术，所以在大规模使用它以前，还需经过一系列复杂的试验过程。

哈梅尔莱斯说：“我们的目标，就是要证实二氧化碳是一种前景广阔的能量来源，而且它还具有实际用途。”但他承认，在用一个真正的发电站测试这项技术前，必须对它进行更多研究。为符合社会对用电日益增加的需求，这种产生额外能源的方法，有望代替当前扩建的发电厂。

三、二氧化碳其他用途的新拓展

1.开发出用二氧化碳作辅料的生产工艺

（1）开发用二氧化碳当工作液的金属加工工艺。2005年4月，有关媒体报道，美国洛斯阿拉莫斯实验室，开发出一种新颖的金属加工工艺：用固体二氧化碳（干冰）的射流，为金属切割部位冷却（兼润滑），并且将加工过程中的废料带走。该工艺过程，二氧化碳有望替代金属切割和金属部件清洗中所使用的油性或化学合成的冷却液和清洗液类工作液，尽量减少这些溶液造成污染。

这项工艺的原理是：由于液态二氧化碳的绝热膨胀，大小为微米级的干冰颗粒在通过直径为0.012英寸的喷嘴时，高速喷射出来。喷射出的二氧化碳射流将加工时产生的金属废料吹走，在使被加工部件表面冷却的同时，也起到润滑作用。