仿效自然，為未來提供能源
中國研究人員在潔淨能源技術上取得重大進展，研發出一套僅靠陽光就能將二氧化碳和水轉化為有用化學原料的系統。這項突破刊登於經同儕審查的《Nature Communications》期刊，研究靈感來自光合作用，也就是植物利用陽光、水和大氣中的碳來產生能量的自然過程。
研究團隊由中國科學院和香港科技大學的科學家組成，研發出一種能儲存少量電能的特殊材料。這種儲能能力至關重要，可驅動將二氧化碳轉化為有用化合物所需的化學反應，無須依賴化石燃料。
搭配促進二氧化碳轉化的催化劑後，這套系統便能以太陽能驅動一氧化碳的生成。這種中間化學產物還可進一步加工成液態碳氫燃料，為航空和航運等難以電氣化的產業提供潛在能源途徑。
人工光合作用如何運作
利用陽光將二氧化碳轉化為燃料的過程稱為光催化或人工光合作用，長久以來一直是潔淨能源研究的目標。自然界的光合作用讓植物把太陽能儲存在化學鍵中，利用二氧化碳和水製造糖分。科學家一直試圖在實驗室重現這種效率，以研發可取代石油產品的永續燃料。
中國團隊解決了人工光合作用的一項關鍵挑戰：如何同時串聯多個複雜的化學反應。自然系統會運用精密的生物機制，暫時儲存光所產生的電子，促進不同反應階段之間有效傳遞能量。研究人員仿效這項策略，設計出一種經銀修飾的三氧化鎢材料，作為電荷儲存庫。
研究團隊在發表的論文中說明這項突破性策略。
本研究建立一種受生物啟發的電荷儲存庫策略，以有效進行二氧化碳光還原，並為太陽能燃料生產提供通用方法。
這種材料在光照期間儲存電子，並按需釋放，以驅動化學反應。這套系統的表現與使用有機犧牲劑的方法相當；後者往往不具永續性，而這套系統搭配不同催化劑時則具有廣泛適用性。在自然陽光下，這種材料成功觸發轉化反應，展現了實際應用於太陽能燃料的可行性，無須人工照明或外部電源。
全球競爭日趨激烈
中國的突破正值國際競爭升溫，各國競相研發可行的太陽能燃料技術。全球研究人員正採取不同技術策略，探索將大氣中的二氧化碳轉化為可用能源載體的方法，並瞄準各類應用。多項研究同步取得進展，顯示這項技術歷經數十年實驗室研究後，正逐漸接近商業化。
在瑞士，由阿爾多・施泰因費爾德（Aldo Steinfeld）教授領導的蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）科學家，研發出一座可直接從環境空氣中提取二氧化碳和水的工業設施。該設施利用聚光太陽能分解這些物質，製成由氫氣和一氧化碳組成的合成氣，再進一步加工成煤油和甲醇。這種太陽能煤油燃燒時排放的二氧化碳，僅相當於生產過程中吸收的量，因而達到碳中和。這項技術已發展至足以商業部署的階段，並已取得資金，將在德國興建工業規模的生產設施，預計可驗證這套製程的經濟可行性。
日本研究人員也以不同方法打破過往效率紀錄。東京科學大學和廣島大學的科學家研發出一種新型含鉛氧鹵化物光催化劑，使產氫活性較傳統方法提高最多六十倍。這種材料的產氫量子效率約達百分之十五，將二氧化碳轉化為液態燃料甲酸的量子效率則達百分之十，兩者均創下紀錄。共同主持研究的前田和彥（Kazuhiko Maeda）教授說明了結構改良的重要性。
本研究凸顯控制氧鹵化物形態的重要性，有助於充分發揮其作為光催化劑的潛力。
與此同時，劍橋大學研究人員研發出一種太陽能驅動的流動反應器，利用特殊濾材直接從大氣中捕捉二氧化碳。裝置會在夜間吸收二氧化碳，並在陽光照射下將其轉化為合成氣，運作時不需要外部電源、電纜或電池。反射鏡會聚集陽光以驅動化學反應，提供一種分散式方案，讓遠離電網的地區也有望生產燃料。
印度科學家也參與這項全球研究。清奈印度斯坦科技與科學學院的肖恩（Indrajit Shown）教授研發出一種以鋅和硫為基礎的材料，可捕捉陽光，將二氧化碳轉化為燃料成分乙醛。這套系統使用一般陽光，效率約為先前方法的兩百倍，無須特殊照明設備。肖恩教授強調這項研究的實際目標。
這項研究著眼於尋找真正有助於地球的方法，而不只是追求科學進展。
這些進展來自不同國家，顯示太陽能燃料技術正透過多種獨立途徑走向成熟，也提高了至少有一種方法成功商業化的可能性。
瞄準航空與航運
這些技術的潛在用途不僅限於一般運輸，也包括特別難以電氣化的產業。航空、航運和重工業高度仰賴液態碳氫燃料，因為這類燃料能量密度高，且相容於現有基礎設施。這些產業合計占全球二氧化碳排放相當大的比重，卻難以輕易改用電池電動或氫燃料電池技術。
航空業的減碳障礙尤其顯著。飛機需要能量密度極高的燃料，才能維持合理的重量和航程。現有電池技術無法儲存足夠能量供長程航班使用；若增加電池，又會造成難以承受的重量，使商業營運不可行。目前航空業約占全球人為二氧化碳排放量的百分之三。隨著每年搭機旅客人數預計在2035年增至75億人次，排放占比也預計攀升。
太陽能衍生燃料是很有前景的解決方案，因為可直接替代傳統化石燃料。以二氧化碳和陽光製成的煤油無須改裝，就能供現有飛機引擎使用；甲醇則可作為船用燃料或藥品生產的化學原料。這些燃料釋放的二氧化碳僅來自生產時捕捉的部分，因此能形成封閉的碳循環，避免向大氣新增溫室氣體，同時運用現有燃料配送基礎設施。
國際航空運輸協會指出，永續航空燃料是2050年達成二氧化碳淨零排放的關鍵。國際能源總署預測，若能克服擴大生產的挑戰，這類燃料到2030年可滿足航空燃料需求的百分之十，到2040年則可接近百分之二十。然而，目前永續燃料的使用量仍不到總消耗量的百分之零點一，顯示即使相關技術已在實驗室和試驗場域展現成效，要達成這些目標仍須大幅擴產。
商業部署的障礙
儘管科學研究進展令人矚目，太陽能燃料技術要廣泛採用仍面臨重大障礙。成本是商業化的首要門檻。瑞士研究人員估計，規模化生產的太陽能煤油每公升成本介於1.35美元至2.20美元。這顯示其價格正逐步接近傳統航空燃油，但興建工業規模設施所需的高額初期投資，仍使部署複雜，也讓早期投資者承擔風險。
地理條件也限制了生產潛力。太陽能燃料生產需要充足日照，因此沙漠地區最適合設置設施。然而，將燃料從偏遠沙漠地區運往主要交通樞紐，需要大量基礎設施投資與物流協調。不同於常與糧食生產爭奪農地的生質燃料，太陽能燃料可利用不適合耕種的沙漠地區，保留寶貴農地供農作與畜牧使用，同時善用日照強烈的區域。
提高轉換效率與系統耐久性的技術挑戰仍未解決。近期突破雖較早期技術大幅進步，但目前系統仍只能將部分可用太陽能轉化為化學鍵中的能量。作為對照，自然光合作用的效率約為百分之一；根據刊登於《Science》的研究，近期實驗室成果在特定反應階段已達百分之十三至十五。後續研究必須著重開發效率更高的催化劑、改善電荷分離機制，並研發能在真實環境中穩定運作的系統，而非只能在溫度和濕度固定的受控實驗室環境中運作。
政策支持對於縮短實驗室成果與商業部署之間的落差，似乎至關重要。研究人員建議制定配額制度，要求航空公司從永續來源採購一定比例的燃料，以創造穩定需求，讓基礎設施投資有其商業理由。這類監管措施可加速擴產，並透過提高產量降低成本，仿效過去二十年成功壓低太陽能光電板和風力發電機成本的模式。
重點整理
- 中國科學家研發出受植物啟發的系統，以經銀修飾的三氧化鎢利用陽光將二氧化碳和水轉化為燃料前驅物，研究刊登於《Nature Communications》。
- 這項技術採用電荷儲存庫策略，儲存電能以驅動化學反應，無須使用不具永續性的犧牲劑。
- 瑞士、日本、英國和印度的研究團隊也正以不同方法和效率水準，投入類似的太陽能燃料技術研究。
- 太陽能燃料有望協助航空和航運減碳，這些產業因能源密度需求高而難以電氣化。
- 太陽能煤油目前估計每公升成本為1.35至2.20美元，大規模生產仍需大量基礎設施投資。
- 國際能源總署預測，若能克服擴產挑戰，永續航空燃料到2030年可滿足百分之十的需求，到2040年則可達百分之二十。
