Science發問：人類到底能否擺脫對化石能源的依賴？

　　石油不僅是燃料，而且還是許多化工產品的原料。小到日常生活中的茶杯和服裝，大到鋪設公路的瀝青和工業生產所需的烯、醇等，都離不開石油。然而，石油、天然氣等不可再生化石資源儲量有限；并且其燃燒后釋放的溫室氣體占所有的溫室氣體排放量的14%，長期使用導致嚴重的環境問題譬如溫室效應等。

　　與此相反，太陽能、風能等可再生能源，綠色清潔、可持續，已經被很好的應用于電力供應。因此，如果能將可再生電力與燃料燃燒產生的CO2和水等小分子充分利用起來，將會一舉兩得，一方面可以制備各種高附加值的化學品，另一方面還能減輕溫室效應。因此，該領域的研究一直是化學工作者關注的焦點。加利福尼亞大學伯克利分校的物理學家Daniel Kammen曾評價說：“目前，這是最前沿的話題。”

　　那么，這個最前沿的話題中，擬解決的關鍵問題或擬探索的核心內容有哪些呢？

　　1. 化石能源既能作為燃料，又是化工生產必備的原料，如何解決化石能源短缺的問題。

　　2．如何構建高效的電解體系，利用清潔能源來整合CO2，H2O，N2等分子，制備高附加值的化學品。

　　為了厘清這些問題，Science專欄記者Robert F. Service向我們闡明了利用可再生能源（水電、風電、太陽能）整合CO2，H2O，N2等，制備高附加值化學品的意義和可能性，并簡要介紹了目前該研究領域的進展，指出了已建立體系（基于電解工藝）的優缺點，預測了高效可循環體系的發展方向。

　　目前，一家名為Sunfire的公司已經完成了一個高溫電解反應堆的試運行，該反應堆的工作流程如下所示：

圖1. 反應堆的工作流程圖示

　　值得一提的是，上述反應體系的效率接近80%。研究者發現影響體系效率的因素主要有陽極材料、陰極材料和催化劑。截至目前，已有研究報道通過在陽極上加入某種透明粘性液體來提高能源利用率；還有研究者對催化劑進行改進，成功將CO2轉化為乙烯和乙醇的雙碳混合物。

　　但是，這些優化過程困難重重，主要難點在于：

　　1）可再生能源（水能、風能、光能）是間歇性的，來源不夠穩定；

　　2）目前的整合反應還停留在簡單碳氫化合物的合成，離實際的生產生活還有很大的距離。

　　也就是說，在化學家能夠找到能夠高效制造復雜碳氫化合物的催化劑之前，該系統僅可以利用可再生電能來制備簡單的分子，如H2和CO等。因此，研究和開發能夠將CO轉化為復雜的碳氫化合物的催化劑是下一步研究的熱點。

圖2. 兩種工藝路線示意圖

　　總而言之，這篇文章提出了將可再生資源轉化為人類生產生活所必須的化學品的想法：將可再生能源轉化為電能，利用電解池整合CO2、H2O、N2等小分子，制備高附加值的碳氫化合物（即太陽能轉化電能再轉化為化學能的過程），通過已經實現的成就，為我們提出了存在的缺陷和改進的方向。

　　參考文獻及原文鏈接

　　Robert F. Service，Can the world make the chemicals it needs without oil?

　　https://www.sciencemag.org/news/2019/09/can-world-make-chemicals-it-needs-without-oil