你聽說過液態(tài)陽光嗎？為了更好的儲能減碳，中國科學家提出了一整套能源解決方案——液態(tài)陽光。把太陽變成液態(tài)燃料，裝進“瓶子”，即開即用。

撰文?|?李存璞（重慶大學化學化工學院教授）

能源，這個詞匯有時會讓人覺得十分遙遠，遠到似乎只有在酒桌上說起俄烏沖突才能拉進我們與“能源”之間的距離；卻又與我們十分親密，親密到它是人類衣食住行的根基。
能源是現(xiàn)代社會的基石。我們用能源創(chuàng)造新的物質，各類新材料的應用讓人類的生活品質日新月異；我們消耗能源維持體面的生活，空調、暖氣、汽車、烹飪等等，讓人類在任何嚴苛的環(huán)境中優(yōu)雅生活，便利出行；我們依靠能源上天入地，追逐星辰大海，克服萬有引力的束縛和海水阻力的壓迫，發(fā)現(xiàn)更多的精彩。因此，無論對于個體或者國家，地區(qū)或者世界，未來的所有理想在很大程度上建立在充足能源的基礎之上。居安思危，因此有很多人希望獲得無窮無盡的資源。
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太陽能的儲存和運輸，成就了虛無與現(xiàn)實

地球的能源大部分來自于太陽。如同《流浪地球》描述的一樣，太陽的異變對于地球上所有的生命來說都會是不可承受之重。按照目前普遍被接受的認知，數(shù)億年前到數(shù)千萬年前地球上的植物通過光合作用吸收太陽光的能量，轉化為動植物中的有機物，這些有機物經(jīng)過一系列復雜化學/物理變化，轉化成了石油、煤、天然氣，成為現(xiàn)代社會主要的能源載體。

圖1 石油與煤可能來自于古老生物，比如2億年前的大帶齒獸（Megazostrodon）

因此節(jié)能如此重要：打開燃氣灶，燃燒的不僅是甲烷，更可能是7000萬年前自由奔跑的霸王龍噴出的“火焰”；開車時一腳油門下去，氣缸中噴射的不僅是汽油，更可能是2億年前悠然漫步的大帶齒獸（Megazostrodon）的一個噴嚏。太陽能轉化為的石油、煤、天然氣，充滿著歷史的積淀，厚重而又珍貴，我們應當珍惜。
與此同時，石油、煤、天然氣這些能源的載體被轉化為電能這一能源，通過電網(wǎng)輸送至千家萬戶，照亮了現(xiàn)代社會。電能的發(fā)現(xiàn)與應用是能源應用的重大變革，使得能量不再依賴載體（或“工質，即實現(xiàn)熱、功轉換的工作物質”）就可以被高效的利用。發(fā)電廠通過燃燒石油、煤、天然氣等能源載體獲得熱能，進而轉化為電能，用一根電線，一股電流，就實現(xiàn)了把遠古的太陽能傳遞給當代千家萬戶的偉大成就，能量的輸送從未如此簡單。
太陽能的儲存始于數(shù)億年前，轉化為了實實在在物質；這些累積的能量通過石油、天然氣管道，或者運煤列車被送至世界各地，供給社會的方方面面，其中一部分實實在在的能量載體，被轉化為略顯虛無的電流，成就萬千人類的夢想。
2當下太陽能的應用，是可持續(xù)發(fā)展的希望
在能源方面，人類一直在啃老：啃從地球誕生以來所有逝去的生命的老。會有些羞愧么？盡管“我死之后，哪管洪水滔天”，但當能源危機似乎沒有那么遙遠的今天，我們不得不正視不太遠的未來的能源來源。
太陽依舊靠譜，只要它依然照常升起。每年地球從太陽接收到的總能量，遠遠超過人類每年的消耗。如果可以將取之不盡用之不竭的太陽能充分利用，能源問題將不復存在。人們一直在努力實現(xiàn)這一目標。事實上，早已被廣泛采用的水力發(fā)電就是對太陽能的間接應用：太陽將海水蒸發(fā)送往內陸，下雨之后，小溪變成河流推動發(fā)電機，轉化為清澈的水電并入電網(wǎng)。（這或許是Hi-Fi用戶喜歡用“水電”的原因，雖然少了一些歷史的厚重，卻多了一些當代的鮮活。）
但水電還遠遠不夠。人們發(fā)展了風電、潮汐能發(fā)電等技術，進一步利用間接的太陽能；以及發(fā)明了各種太陽能電池，將陽光直接轉化為電能并網(wǎng)。但上述技術都面臨著間歇性的問題：即它們依賴穩(wěn)定的風、穩(wěn)定的潮汐、穩(wěn)定的光，但地球的自轉和公轉，以及復雜的地理環(huán)境，“穩(wěn)定”這個詞與暴躁的太陽能矛盾的不共戴天。
可持續(xù)發(fā)展需要穩(wěn)定，我們要想辦法將每一天或許并不穩(wěn)定的陽光累積起來，以實現(xiàn)子孫后代的夢想。

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植物累積陽光，卻太復雜

當我們想到穩(wěn)定儲能的時候，植物早就想到了。事實上，植物的光合作用就是累積陽光的過程，它們吸收CO2，利用太陽能把CO2還原為各種有機物，從而將陽光儲存到了纖維素、淀粉、糖等物質中，讓陽光能量有了載體。所以在一定程度上，我們點開支*寶，給**森林累計一些能量，就已經(jīng)在為可持續(xù)發(fā)展積蓄力量。與此同時，我們也注意到光合作用可以吸收大量CO2，這對雙碳目標的實現(xiàn)也有重要的貢獻。

圖2 賣炭翁將柴火預先處理，獲得熱值更高、含水量更低的炭販賣給剝削階級
所以多種樹不就行了么？種樹很好，但還遠遠不夠。一片森林中的樹木會老去，當一棵樹老去的時候，它的呼吸作用所排放的CO2會超過其能夠固定的量——也就是失去了它應有的作用。當然我們沒有資格要求任何生命有作用，但除了樹木會老去之外，植物光合作用所固定的太陽能使用起來也十分困難。古代的“賣炭翁”已經(jīng)掌握了一定的進階能源使用技巧：伐薪所獲得的柴火含水量高，單位重量能夠提供的能量低，用來燒烤烹飪不僅煙大，而且加熱緩慢，難以滿足地主家對食材烹飪外酥里嫩的追求，因此賣炭翁會先把“薪”燒制成熱值更高的“炭”進行販賣，因為炭用起來干凈又衛(wèi)生，且加熱快。
遺憾的是，現(xiàn)代社會對能源的需求變得更加精細，植物光合作用所固定的太陽能，轉化為了多種不同的化學物質。而很多種化學物質，意味著植物在應用層面需要花費大量的成本來提純——比如我們原油沒辦法直接應用，將其分離成各類組分之后，才能撐起現(xiàn)代工業(yè)。那么，陽光可以被“分解”儲存嗎？

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簡單點，累積陽光的時候簡單點

善于反向思維的科學家找到了新的突破點。既然煤、石油發(fā)電是把物質儲存的太陽能轉化為電能，輸送給千家萬戶；那不如先將太陽能轉化為電能，再儲存起來分發(fā)給用戶。但前面提到過，不管是直接的太陽能還是間接的太陽能，其間歇性限制了其推廣應用。因此兩條路線被逐漸發(fā)展成形。一種在間歇發(fā)電裝置附近建設儲能電站，把不穩(wěn)定的電能轉化為電池中的化學能，再并入電網(wǎng)進行分發(fā)，即“太陽能-電能-儲能-應用”路線，簡稱為“儲能路線”；而另一種，則是將不穩(wěn)定電能轉化為單一的、易于應用的物質，通過現(xiàn)有石油、天然氣、煤的分發(fā)方式進行分發(fā)-發(fā)電-輸送，即“太陽能-電能-物質-應用”路線，簡稱為“液態(tài)陽光路線”。
相比儲能路線，液態(tài)陽光路線或許更加持久。儲能路線依賴于儲能電站的建設，電站的電池容量可以實現(xiàn)緩沖間歇電能并網(wǎng)的目標，卻難以完成生產能源工質、作為戰(zhàn)略能源儲備的任務。戰(zhàn)略能源儲備，要求即使在嚴重自然災害、戰(zhàn)爭、甚至是地球面臨毀滅等極端情況下，依然可以為設備提供能量——用物質而非電網(wǎng)供能，顯然更加可靠。

圖3 液態(tài)陽光實現(xiàn)了太陽能儲存至單一化學品進行利用的目的
中國科學院白春禮、張濤、李靜海等人在2018年提出了液態(tài)陽光（Liquid sunshine）的概念[2]，為化石燃料枯竭的未來提供了一種可能的能源解決方案。所謂液態(tài)陽光，是一整套的能源解決方案——利用陽光、水、CO2生產性能穩(wěn)定、能量密度大、適應國際運輸和分發(fā)的液態(tài)醇類燃料，并通過液態(tài)醇類燃料的清潔轉化和排放CO2的重新循環(huán)，最終實現(xiàn)CO2的零排放。如圖3所示，液態(tài)陽光不僅可以固定太陽能與CO2，更可以生產如甲醇、乙醇等單一化學物質，通過現(xiàn)有的原油、天然氣輸送系統(tǒng)或分發(fā)路線進行利用，能源轉換成本低而效率高，有望成為未來重要的能源載體。
單一化學物質至關重要。如同前面提到的，現(xiàn)代社會建立在各種物質的創(chuàng)造和能量利用之上，而創(chuàng)造新物質和能量利用，都需要單一化學物質，而非組成復雜的混合物。事實上，目前從混合物分離出單一物質的能量消耗，占到了世界總能耗的10–15%[3]。物質越簡單越利于應用，這也是推廣垃圾分類的一大原因。因此，液態(tài)陽光不僅可以作為未來的能源載體，更可能會推動化學工業(yè)、材料工業(yè)等領域的革新與發(fā)展，形成從能量載體到物質原料的多重身份。

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不用等到未來的未來

盡管我們似乎每天都能聽到關于可控核聚變又推進一步的新聞或者傳言，但在心中引起的波瀾遠比國六汽油的全面推廣、或者進入加油站發(fā)現(xiàn)只有乙醇汽油來的風輕云淡。
可控核聚變等先進技術聽起來十分科幻，但科幻的另一層含義可能是距離遙遠，好像總差著50年。液態(tài)陽光則務實很多，甚至簡單到現(xiàn)有的內燃機稍加改造就可以利用液態(tài)陽光生產的甲醇、乙醇作為燃料推動車輛行進。事實上，2020年首套千噸級液態(tài)陽光示范項目已經(jīng)落地[4]，而10萬噸級的工業(yè)化也正在實施過程中。當我們憧憬于充滿科幻的未來時，化學家們也正在一步一步的把人類推向明天，以及明天的明天。
目前液態(tài)陽光的研究和應用的難題，在于如何高效的把CO2加氫-脫氧還原為醇類分子。CO2中本身是非極性分子，反應活性較弱，但人們可以在電極上較為高效的把CO2上加上一分子的H2，從而獲得甲酸（HCOOH）。但甲酸能夠提供的能量十分有限，如何進一步的從甲酸分子脫氧加氫獲得甲醇（CH3OH），才是目前學術界的研究熱點?？赡艿耐黄坡肪€一方面包括利用催化劑的設計來拔掉氧原子，另一類則考慮向生命體學習，模擬光合作用等生物過程實現(xiàn)拔氧脫氫的效果。事實上，在這些研究的當中，人工智能早已經(jīng)在發(fā)揮作用，畢竟從已有的人類知識篩選最佳的催化劑/生物催化路線，合理而又高效。
但突破性的發(fā)展還不能僅僅依賴人工智能，畢竟所謂“突破性”，本身不就往往意味著脫離傳統(tǒng)套路么？化學家的奇思妙想的努力已經(jīng)逐漸把我們推向未來，而也正因為這些努力，使得在面對災難、戰(zhàn)爭的時候，我們才不會在能源層面受制于人，也不會被人說“什么檔次，用的和我一樣”。
那么在氦閃之前，讓我們干了這杯液態(tài)陽光。

參考文獻

[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]?千噸級“液態(tài)陽光”合成項目示范成功-2020年[EB/OL].(2021-01-08) [2022-12-23].?https://www.cas.cn/cg/cgzhld/202101/t20210112_4774334.shtml

后記：?@ChatGPT，你對液態(tài)陽光的發(fā)展怎么看，它會改變能源領域嗎？
ChatGPT：我對液態(tài)陽光的發(fā)展看好，它會給能源領域帶來很大的改變。它不僅可以替代傳統(tǒng)的能源，而且還可以在太陽能電池中提供更高效的能源轉換。

出品：科普中國