未来的能量块，也许是一杯甲醇

本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：李存璞

撰文 | 李存璞（重庆大学化学化工学院教授）

能源，这个词汇有时会让人觉得十分遥远，远到似乎只有在酒桌上说起俄乌冲突才能拉进我们与“能源”之间的距离；却又与我们十分亲密，亲密到它是人类衣食住行的根基。

能源是现代社会的基石。我们用能源创造新的物质，各类新材料的应用让人类的生活品质日新月异；我们消耗能源维持体面的生活，空调、暖气、汽车、烹饪等等，让人类在任何严苛的环境中优雅生活，便利出行；我们依靠能源上天入地，追逐星辰大海，克服万有引力的束缚和海水阻力的压迫，发现更多的精彩。因此，无论对于个体或者国家，地区或者世界，未来的所有理想在很大程度上建立在充足能源的基础之上。居安思危，因此有很多人希望获得无穷无尽的资源。

1、太阳能的储存和运输，成就了虚无与现实

地球的能源大部分来自于太阳。如同《流浪地球》描述的一样，太阳的异变对于地球上所有的生命来说都会是不可承受之重。按照目前普遍被接受的认知，数亿年前到数千万年前地球上的植物通过光合作用吸收太阳光的能量，转化为动植物中的有机物，这些有机物经过一系列复杂化学 / 物理变化，转化成了石油、煤、天然气，成为现代社会主要的能源载体。

因此节能如此重要：打开燃气灶，燃烧的不仅是甲烷，更可能是 7000 万年前自由奔跑的霸王龙喷出的“火焰”；开车时一脚油门下去，气缸中喷射的不仅是汽油，更可能是 2 亿年前悠然漫步的大带齿兽（Megazostrodon）的一个喷嚏。太阳能转化为的石油、煤、天然气，充满着历史的积淀，厚重而又珍贵，我们应当珍惜。

与此同时，石油、煤、天然气这些能源的载体被转化为电能这一能源，通过电网输送至千家万户，照亮了现代社会。电能的发现与应用是能源应用的重大变革，使得能量不再依赖载体（或“工质，即实现热、功转换的工作物质”）就可以被高效的利用。发电厂通过燃烧石油、煤、天然气等能源载体获得热能，进而转化为电能，用一根电线，一股电流，就实现了把远古的太阳能传递给当代千家万户的伟大成就，能量的输送从未如此简单。

太阳能的储存始于数亿年前，转化为了实实在在物质；这些累积的能量通过石油、天然气管道，或者运煤列车被送至世界各地，供给社会的方方面面，其中一部分实实在在的能量载体，被转化为略显虚无的电流，成就万千人类的梦想。

2、当下太阳能的应用，是可持续发展的希望

在能源方面，人类一直在啃老：啃从地球诞生以来所有逝去的生命的老。会有些羞愧么？尽管“我死之后，哪管洪水滔天”，但当能源危机似乎没有那么遥远的今天，我们不得不正视不太远的未来的能源来源。

太阳依旧靠谱，只要它依然照常升起。每年地球从太阳接收到的总能量，远远超过人类每年的消耗。如果可以将取之不尽用之不竭的太阳能充分利用，能源问题将不复存在。人们一直在努力实现这一目标。事实上，早已被广泛采用的水力发电就是对太阳能的间接应用：太阳将海水蒸发送往内陆，下雨之后，小溪变成河流推动发电机，转化为清澈的水电并入电网。（这或许是 Hi-Fi 用户喜欢用“水电”的原因，虽然少了一些历史的厚重，却多了一些当代的鲜活。）

但水电还远远不够。人们发展了风电、潮汐能发电等技术，进一步利用间接的太阳能；以及发明了各种太阳能电池，将阳光直接转化为电能并网。但上述技术都面临着间歇性的问题：即它们依赖稳定的风、稳定的潮汐、稳定的光，但地球的自转和公转，以及复杂的地理环境，“稳定”这个词与暴躁的太阳能矛盾的不共戴天。

可持续发展需要稳定，我们要想办法将每一天或许并不稳定的阳光累积起来，以实现子孙后代的梦想。

3、植物累积阳光，却太复杂

当我们想到稳定储能的时候，植物早就想到了。事实上，植物的光合作用就是累积阳光的过程，它们吸收 CO₂，利用太阳能把 CO₂ 还原为各种有机物，从而将阳光储存到了纤维素、淀粉、糖等物质中，让阳光能量有了载体。所以在一定程度上，我们点开支 * 宝，给 ** 森林累计一些能量，就已经在为可持续发展积蓄力量。与此同时，我们也注意到光合作用可以吸收大量 CO₂，这对双碳目标的实现也有重要的贡献。

所以多种树不就行了么？种树很好，但还远远不够。一片森林中的树木会老去，当一棵树老去的时候，它的呼吸作用所排放的 CO₂ 会超过其能够固定的量 —— 也就是失去了它应有的作用。当然我们没有资格要求任何生命有作用，但除了树木会老去之外，植物光合作用所固定的太阳能使用起来也十分困难。古代的“卖炭翁”已经掌握了一定的进阶能源使用技巧：伐薪所获得的柴火含水量高，单位重量能够提供的能量低，用来烧烤烹饪不仅烟大，而且加热缓慢，难以满足地主家对食材烹饪外酥里嫩的追求，因此卖炭翁会先把“薪”烧制成热值更高的“炭”进行贩卖，因为炭用起来干净又卫生，且加热快。

遗憾的是，现代社会对能源的需求变得更加精细，植物光合作用所固定的太阳能，转化为了多种不同的化学物质。而很多种化学物质，意味着植物在应用层面需要花费大量的成本来提纯 —— 比如我们原油没办法直接应用，将其分离成各类组分之后，才能撑起现代工业。那么，阳光可以被“分解”储存吗？

4、简单点，累积阳光的时候简单点

善于反向思维的科学家找到了新的突破点。既然煤、石油发电是把物质储存的太阳能转化为电能，输送给千家万户；那不如先将太阳能转化为电能，再储存起来分发给用户。但前面提到过，不管是直接的太阳能还是间接的太阳能，其间歇性限制了其推广应用。因此两条路线被逐渐发展成形。一种在间歇发电装置附近建设储能电站，把不稳定的电能转化为电池中的化学能，再并入电网进行分发，即“太阳能-电能-储能-应用”路线，简称为“储能路线”；而另一种，则是将不稳定电能转化为单一的、易于应用的物质，通过现有石油、天然气、煤的分发方式进行分发-发电-输送，即“太阳能-电能-物质-应用”路线，简称为“液态阳光路线”。

相比储能路线，液态阳光路线或许更加持久。储能路线依赖于储能电站的建设，电站的电池容量可以实现缓冲间歇电能并网的目标，却难以完成生产能源工质、作为战略能源储备的任务。战略能源储备，要求即使在严重自然灾害、战争、甚至是地球面临毁灭等极端情况下，依然可以为设备提供能量 —— 用物质而非电网供能，显然更加可靠。

中国科学院白春礼、张涛、李静海等人在 2018 年提出了液态阳光（Liquid sunshine）的概念 [2]，为化石燃料枯竭的未来提供了一种可能的能源解决方案。所谓液态阳光，是一整套的能源解决方案 —— 利用阳光、水、CO₂ 生产性能稳定、能量密度大、适应国际运输和分发的液态醇类燃料，并通过液态醇类燃料的清洁转化和排放 CO₂ 的重新循环，最终实现 CO₂ 的零排放。如图 3 所示，液态阳光不仅可以固定太阳能与 CO₂，更可以生产如甲醇、乙醇等单一化学物质，通过现有的原油、天然气输送系统或分发路线进行利用，能源转换成本低而效率高，有望成为未来重要的能源载体。

单一化学物质至关重要。如同前面提到的，现代社会建立在各种物质的创造和能量利用之上，而创造新物质和能量利用，都需要单一化学物质，而非组成复杂的混合物。事实上，目前从混合物分离出单一物质的能量消耗，占到了世界总能耗的 10–15%[3]。物质越简单越利于应用，这也是推广垃圾分类的一大原因。因此，液态阳光不仅可以作为未来的能源载体，更可能会推动化学工业、材料工业等领域的革新与发展，形成从能量载体到物质原料的多重身份。

5、不用等到未来的未来

尽管我们似乎每天都能听到关于可控核聚变又推进一步的新闻或者传言，但在心中引起的波澜远比国六汽油的全面推广、或者进入加油站发现只有乙醇汽油来的风轻云淡。

可控核聚变等先进技术听起来十分科幻，但科幻的另一层含义可能是距离遥远，好像总差着 50 年。液态阳光则务实很多，甚至简单到现有的内燃机稍加改造就可以利用液态阳光生产的甲醇、乙醇作为燃料推动车辆行进。事实上，2020 年首套千吨级液态阳光示范项目已经落地 [4]，而 10 万吨级的工业化也正在实施过程中。当我们憧憬于充满科幻的未来时，化学家们也正在一步一步的把人类推向明天，以及明天的明天。

目前液态阳光的研究和应用的难题，在于如何高效的把 CO₂ 加氢-脱氧还原为醇类分子。CO₂ 中本身是非极性分子，反应活性较弱，但人们可以在电极上较为高效的把 CO₂ 上加上一分子的 H₂，从而获得甲酸（HCOOH）。但甲酸能够提供的能量十分有限，如何进一步的从甲酸分子脱氧加氢获得甲醇（CH₃OH），才是目前学术界的研究热点。可能的突破路线一方面包括利用催化剂的设计来拔掉氧原子，另一类则考虑向生命体学习，模拟光合作用等生物过程实现拔氧脱氢的效果。事实上，在这些研究的当中，人工智能早已经在发挥作用，毕竟从已有的人类知识筛选最佳的催化剂 / 生物催化路线，合理而又高效。

但突破性的发展还不能仅仅依赖人工智能，毕竟所谓“突破性”，本身不就往往意味着脱离传统套路么？化学家的奇思妙想的努力已经逐渐把我们推向未来，而也正因为这些努力，使得在面对灾难、战争的时候，我们才不会在能源层面受制于人，也不会被人说“什么档次，用的和我一样”。

那么在氦闪之前，让我们干了这杯液态阳光。

参考文献

• [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Megazostrodon

• [2] Shih C F, Zhang T, Li J, et al. Powering the future with liquid sunshine[J]. Joule, 2018.

• [3] Sholl, D., Lively, R. Seven chemical separations to change the world. Nature 532, 435–437 (2016). https://doi.org/10.1038/532435a

• [4] 千吨级“液态阳光”合成项目示范成功-2020 年 [EB / OL].(2021-01-08) [2022-12-23]. https://www.cas.cn/ cg / cgzhld / 202101 / t20210112_4774334.shtml

后记： @ChatGPT，你对液态阳光的发展怎么看，它会改变能源领域吗？

ChatGPT：我对液态阳光的发展看好，它会给能源领域带来很大的改变。它不仅可以替代传统的能源，而且还可以在太阳能电池中提供更高效的能源转换。

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