中國科學(xué)院院士李燦：

　　發(fā)展人工光合成產(chǎn)業(yè)是“一石三鳥”之舉

　　【院士訪談】

　　◎本報(bào)記者 張佳星

　　自然界的光合作用給了我們啟發(fā)。光合作用的本質(zhì)是能量固定的過程。以人工方法實(shí)現(xiàn)光合作用的研究持續(xù)了很多年，有光催化、電催化、熱催化、酶催化等技術(shù)路線。這些研究正朝著不斷提高人工光合作用的效率、實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的方向前進(jìn)。

　　黨的二十大報(bào)告指出，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展綠色化、低碳化是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　實(shí)現(xiàn)綠色化、低碳化發(fā)展，自然界本身就蘊(yùn)藏著可借鑒的路徑。比如，光合作用不僅消耗二氧化碳，還將光能固定，為生命活動(dòng)提供必需的能量。光合作用與能源利用過程可構(gòu)成一個(gè)完整的生態(tài)循環(huán)。如果讓光合作用規(guī)模與能源利用規(guī)模實(shí)現(xiàn)平衡，則可同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳減排與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

　　然而，自然界光合作用在短時(shí)間內(nèi)消納的二氧化碳數(shù)量有限。那么，是否可以用工業(yè)化的方法，將光能固定，為生產(chǎn)生活提供能量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)二氧化碳的消化或者利用呢？

　　答案是肯定的。在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，我國科研人員正在不斷完善人工光合成技術(shù)。“它的規(guī)模化應(yīng)用不僅可以充分利用可再生能源，大規(guī)模消納二氧化碳，還能解決能源的多樣化問題，以多種方式儲(chǔ)存能源便于不同行業(yè)產(chǎn)業(yè)的利用，實(shí)現(xiàn)‘一石三鳥’的創(chuàng)新路徑。”近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李燦就此接受了科技日報(bào)記者專訪。

　　光伏發(fā)電能量利用率大幅提升

　　記者：當(dāng)前光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相對成熟并且應(yīng)用廣泛，還需要對太陽能進(jìn)行更進(jìn)一步的利用嗎？

　　李燦：光伏發(fā)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。過去晶硅電池的太陽能利用率只有百分之十幾，而今，太陽能的工業(yè)化利用效率平均可達(dá)22%，在實(shí)驗(yàn)室能達(dá)到26%。理論物理學(xué)家估算，太陽能單晶硅電池的太陽能利用率的極限值為31%，因此可以說，以光伏發(fā)電的方式利用太陽能，其能量利用率已經(jīng)非常接近極限值。

　　如今，能量利用率不再是關(guān)鍵制約問題，并網(wǎng)利用的問題隨之凸顯。目前在我國新疆、青海、內(nèi)蒙古、甘肅等西部地區(qū)，光伏發(fā)電量巨大。受資源分布限制，光伏、風(fēng)電等的發(fā)電量大多來自偏遠(yuǎn)地區(qū)，這些地區(qū)很難鋪設(shè)規(guī)模化電網(wǎng)或者特高壓電網(wǎng)，發(fā)出的電難以并網(wǎng)使用。正因?yàn)槿绱耍@些年出現(xiàn)了“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象。

　　到2030年，我國光伏發(fā)電、風(fēng)電裝機(jī)容量要達(dá)到12億千瓦的目標(biāo)。目前看，這個(gè)目標(biāo)可以超額完成，當(dāng)前更大的挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)巨量風(fēng)、光發(fā)電的有效利用。

　　為了解決這些問題，我們提出將太陽能轉(zhuǎn)化為燃料或化學(xué)品加以利用(Power-to-X)，從而通過適宜技術(shù)高效、便捷地使用大量已經(jīng)發(fā)出來的電。

　　記者：您提到的適宜技術(shù)具體指什么？目前有哪些適宜的技術(shù)，應(yīng)用后可達(dá)到怎樣的效果？

　　李燦：這些技術(shù)是指在不修建輸電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將可再生能源產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為其他能源形式，例如可運(yùn)輸?shù)囊后w燃料。

　　自然界的光合作用給了我們啟發(fā)。光合作用的本質(zhì)是能量固定的過程。以人工方法實(shí)現(xiàn)光合作用的研究持續(xù)了很多年，有光催化、電催化、熱催化、酶催化等技術(shù)路線。這些研究正朝著不斷提高人工光合作用的效率、實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的方向前進(jìn)。

　　實(shí)現(xiàn)人工光合作用的規(guī)模化利用，將給生產(chǎn)生活帶來很大變化。比如工信部正在倡導(dǎo)甲醇燃料汽車，以綠色甲醇代替汽油將大大降低污染物排放，并實(shí)現(xiàn)碳中和。另外，甲醇、甲醛等是材料合成、生物醫(yī)藥等工業(yè)的原材料，通過二氧化碳轉(zhuǎn)化的方式獲得這些原料將大大降低相關(guān)產(chǎn)業(yè)對化石資源的依賴。在人工合成淀粉的研究中，我們團(tuán)隊(duì)參與了前端環(huán)節(jié)。這項(xiàng)研究通過把二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲醇，再進(jìn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來新契機(jī)

　　記者：以人工方法實(shí)現(xiàn)光合作用的優(yōu)勢是什么？

　　李燦：發(fā)展人工光合成產(chǎn)業(yè)，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(xué)院開啟了一個(gè)太陽能利用行動(dòng)計(jì)劃，由我和褚君浩院士領(lǐng)銜推進(jìn)。計(jì)劃啟動(dòng)之初，我們對中國太陽能利用水平、技術(shù)路徑、產(chǎn)業(yè)規(guī)模等做過全面的戰(zhàn)略分析，認(rèn)為發(fā)展人工光合成產(chǎn)業(yè)是極具潛力的方向之一。

　　隨著我國“雙碳”目標(biāo)的確定，人工光合成產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展契機(jī)。光合作用的主要原料是二氧化碳和水，可以把二氧化碳從“廢氣”變?yōu)椤百Y源”。

　　當(dāng)前人類已經(jīng)發(fā)展了一些消納二氧化碳的技術(shù)，比如碳捕捉、碳封存，把工業(yè)排放的二氧化碳捕捉下來注入到深井里封存起來，但這種方式是凈投入的，后續(xù)沒有產(chǎn)出。人工光合成方法卻可以“變廢為寶”，在消納二氧化碳的同時(shí)，生產(chǎn)出原料。因此我認(rèn)為，人工光合成是可持續(xù)發(fā)展的“碳捕捉”方式。

　　記者：這樣看來，二氧化碳也是一種資源，應(yīng)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，但由于二氧化碳的強(qiáng)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(guān)研究進(jìn)展緩慢。

　　現(xiàn)在情況不同了，我前面說到光伏發(fā)電量大且成本降低，但并網(wǎng)困難。人工光合成技術(shù)可以將這些能源利用起來，比如一步法電解二氧化碳制備烯烴和含氧化合物等。另一種規(guī)模化轉(zhuǎn)化二氧化碳的技術(shù)是兩步法，即通過光伏發(fā)電電解水制氫，然后加入二氧化碳制甲醇、汽油，再制成各種化學(xué)品。目前，通過這種方法制備甲醇已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)示范階段，制備汽油處于中試階段，其他產(chǎn)品的制備還處于基礎(chǔ)研究階段。據(jù)估算，這種方法可為市場提供約1億噸甲醇，減排空間達(dá)3.5億噸；如制備汽油，減排空間達(dá)到6億噸以上；其他制備路徑也可在提供工業(yè)原材料的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)億噸的碳減排。

　　推進(jìn)技術(shù)的工業(yè)化落地是系統(tǒng)工程

　　記者：既然二氧化碳的資源化利用能帶來多方面的收益，那為什么它的發(fā)展沒有我們想象的順利？

　　李燦：隨著技術(shù)的進(jìn)步，很多以前認(rèn)為不可能的或艱難的工作，已經(jīng)具備了條件。比如，制氫曾被定義為一項(xiàng)非常困難、非常耗能的技術(shù)，但實(shí)際上目前其成本已經(jīng)非常可控了。當(dāng)離網(wǎng)電價(jià)在每度0.3元時(shí)，電解水制氫成本是每公斤18元，比煤化工制氫的每公斤10元貴不少；但當(dāng)離網(wǎng)電價(jià)降到每度0.1元時(shí)，制氫成本降到大約每公斤7元，在此基礎(chǔ)上制備工業(yè)原料甲醇成本僅每噸1700元，比煤化工制甲醇每噸2500元的成本低很多。而光伏國際招標(biāo)價(jià)已經(jīng)降到每度0.14元。可見，太陽能發(fā)電電力成本的大幅降低，為人工光合成過程中的氫氣、甲醇制備等問題“松了綁”。

　　記者：應(yīng)如何推動(dòng)人工光合成的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展？

　　李燦：從最開始的基礎(chǔ)研究、催化劑篩選到最終落地、規(guī)模化生產(chǎn)，甚至帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，整個(gè)鏈條非常長，也面臨一系列困難。

　　首先是成本問題。很多研究在實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)非常好，發(fā)的論文也很漂亮。但能不能轉(zhuǎn)化落地、在市場中生存下來，成本是決定性因素。這要求研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行基礎(chǔ)研究時(shí)就考量生產(chǎn)過程的反應(yīng)條件、工程造價(jià)等問題，在成果轉(zhuǎn)化過程中與企業(yè)合作攻關(guān)、不斷調(diào)整優(yōu)化方案，并與地方政府通力合作，促成項(xiàng)目落地。

　　其次是協(xié)同攻關(guān)問題。人工光合成的技術(shù)鏈條很長，一個(gè)企業(yè)很難在各類技術(shù)中都處于最優(yōu)狀態(tài)，需要多家企業(yè)合作。目前，以我們團(tuán)隊(duì)的研發(fā)成果為核心，在蘭州新區(qū)已經(jīng)建起了液態(tài)陽光甲醇合成示范項(xiàng)目。這一項(xiàng)目從零起步，沒有任何可借鑒的樣板，必須開展協(xié)同創(chuàng)新。目前這一項(xiàng)目正在與中煤集團(tuán)合作推進(jìn)十萬噸級的工業(yè)化生產(chǎn)。

　　當(dāng)前更多的人工光合成技術(shù)路線正在邁向產(chǎn)業(yè)化，例如冰島利用地?zé)崮馨l(fā)電的二氧化碳制備甲醇技術(shù)已實(shí)現(xiàn)中試，智利進(jìn)行了用空氣中捕獲的二氧化碳制備綠色汽油的百噸級示范；我國也進(jìn)行了二氧化碳加氫制甲醇的工業(yè)化示范。未來，期待各方力量轉(zhuǎn)變現(xiàn)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，從而在解決能源問題的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。(科技日報(bào))