一直以來，人類都依賴著化石燃料驅(qū)動(dòng)文明。然而，在化石燃料儲(chǔ)量日益減少、氣候變暖日益加劇的今天，科學(xué)家們一直希望開發(fā)出一種新型燃料的生產(chǎn)技術(shù)：太陽能燃料。
所謂的太陽能燃料，其實(shí)是一個(gè)腦洞大到類似于“水變油”的想法：利用太陽能，將傳統(tǒng)燃料燃燒后的“廢物”——水或二氧化碳——重新轉(zhuǎn)換成燃料。想法雖然十分美好，但這一過程十分艱難復(fù)雜，科學(xué)家們到現(xiàn)在都還沒有找到合適的解決方案。不過，最近的一項(xiàng)研究將很有可能將改變這一現(xiàn)狀。
長(zhǎng)久以來，已知可以用于生產(chǎn)太陽能燃料的催化劑只有 16 種。來自美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）和加州理工學(xué)院的研究人員利用超級(jí)計(jì)算機(jī)采用了全新的方法，在兩年內(nèi)便新發(fā)現(xiàn)了 12 種催化劑，大大推進(jìn)了太陽能燃料的研究進(jìn)程。
3 月 6 日，此項(xiàng)重要研究成果發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）上。
在陽光的照射下，名為“光陽極”的催化劑材料將水分子中的氫和氧進(jìn)行分離，生成氫氣和氧氣（圖中氣泡）。這一重大研究突破將可能助推太陽能燃料的大規(guī)模生產(chǎn)。
那么問題來了，我們已經(jīng)擁有相當(dāng)高效的太陽能電池了，可以直接把太陽能轉(zhuǎn)化為電力。為什么科學(xué)家們還在研究把太陽能轉(zhuǎn)化為燃料的技術(shù)呢？答案是：縱使太陽能電池的效率再高，人類也離不開燃料。
自1776年，英國(guó)人瓦特改良的蒸汽機(jī)發(fā)出第一聲轟鳴開始，人類就再也無法擺脫燃料。不論是火箭、飛船，還是車輛、潛艇，亦或是工業(yè)生產(chǎn)、炒菜做飯，人類生活的方方面面都與燃料息息相關(guān)。兩百多年來，我們?cè)谶@個(gè)地質(zhì)學(xué)意義上幾乎是一個(gè)瞬間的時(shí)間里，把地球幾十億年的化石儲(chǔ)備燃燒掉，首先轉(zhuǎn)化成熱，然后再變成機(jī)械能、電能，當(dāng)然了，還有造成溫室效應(yīng)的二氧化碳。
可以這么說，現(xiàn)代人類社會(huì)的幾乎全部動(dòng)力都基于下面這個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)：
碳?xì)浠衔?/ 氫氣 + 氧氣 → 水 + 二氧化碳
然而，就算地球上的燃料暫時(shí)還不會(huì)耗盡，化石燃料帶來的氣候變暖已經(jīng)火燒眉毛。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）的報(bào)告稱，如果人類想要讓地球擺脫生態(tài)崩潰、海平面上升、糧食短缺甚至陷入戰(zhàn)亂的夢(mèng)魘，必須把溫度上升限制在2度以內(nèi)——或者說，還能再排約1億噸二氧化碳。如果人類按照現(xiàn)有情況繼續(xù)排放，只需要20到30年就可以“達(dá)成”這個(gè)危險(xiǎn)的目標(biāo)。
化石燃料已不能再如此大規(guī)模使用，卻并不是所有地方都能用電力替代。在特斯拉等公司的大力推動(dòng)下，電力汽車似乎離徹底取代化石燃料汽車只剩一步之遙。然而，鋰電池的能量密度——單位重量能源載體所能釋放的能量——卻小得可憐，這使得電力汽車的里程十分受限。
舉例而言，一臺(tái)兩頓重的電動(dòng)汽車頂多可以行使約300公里。你無法想象，一架飛機(jī)背著滿滿一機(jī)腹的電池起飛，也不可能讓一艘輪船帶著比貨物重得多的電池遠(yuǎn)航。
各種能源載體能量密度對(duì)比：鋰離子電池的能量密度過低，以至于只能用在少數(shù)領(lǐng)域?？刹灰】茨愕男《请睿臼菢O佳的能量載體。一個(gè)偉岸的將軍肚里所蘊(yùn)含的能量，很可能勝過一臺(tái)充滿電的特斯拉汽車。
因此，幾十年來，科學(xué)家們都致力這樣一件事：將燃料燃燒的反應(yīng)逆轉(zhuǎn)——利用取之不盡、用之不竭的太陽能，把水和二氧化碳重新變回燃料：
水+二氧化碳碳?xì)浠衔?→ 氫氣+氧氣
在太陽的幫助下，讓燃燒的產(chǎn)物搖身一變，變成生產(chǎn)燃料的原料，重新用于工業(yè)、交通、發(fā)電、采暖等諸多領(lǐng)域。如果該技術(shù)最終得以實(shí)現(xiàn)，將對(duì)人類的清潔能源未來有著重大的意義：我們終于可以擺脫化石燃料，實(shí)現(xiàn)零碳循環(huán)。
整個(gè)過程卻十分困難。實(shí)現(xiàn)太陽能燃料的合成，需要依賴高效的催化劑?？墒?，這種催化劑十分稀少——過去40年間，科學(xué)家們只發(fā)現(xiàn)了 16 種，而且還是研究別的問題的時(shí)候誤打誤撞發(fā)現(xiàn)的。這16種材料的表現(xiàn)也并不盡如人意。
但是，來自美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州理工學(xué)院的研究人員只用了 2 年時(shí)間，便新增了12種可以用作光陽極的材料。他們是怎么做到的呢？答案是：超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行理論計(jì)算 + 高通量實(shí)驗(yàn)法大量篩選。
密度泛函理論（DFT）被廣泛應(yīng)用于計(jì)算多電子體系的電子結(jié)構(gòu)。本研究進(jìn)一步改進(jìn)了這一算法，用以精確、高效地計(jì)算金屬氧化物的能帶。
首先，科學(xué)家們建立了一個(gè)涵蓋多達(dá) 60,000 種金屬氧化物材料的數(shù)據(jù)庫；其次，科學(xué)家改良了一種叫做“密度泛函理論（Density Functional Theory， DFT）”的研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)計(jì)算方法，在保留了其高效的同時(shí)，提高了計(jì)算半導(dǎo)體禁帶寬度的精度。
采用了許多加快計(jì)算速度的方法之后，科學(xué)家們獲得了此類計(jì)算的史上最快速度。然而，要對(duì)數(shù)據(jù)庫里60,000種材料的化學(xué)性質(zhì)逐一進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，依然是一項(xiàng)十分浩大的工程——如此巨大的計(jì)算量，在太陽能燃料直接轉(zhuǎn)化剛剛提出的數(shù)十年前，是不可想象的。
科學(xué)家用超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算了60,000種材料的化學(xué)性能，從中篩選出幾十種以供測(cè)試
但是，21世紀(jì)的科學(xué)家擁有了一項(xiàng)前所未有的強(qiáng)大工具：超級(jí)計(jì)算機(jī)?？茖W(xué)家們使用了美國(guó)能源部旗下的國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）的超級(jí)計(jì)算機(jī)，進(jìn)行了幾百次理論計(jì)算——從中篩選出了幾十種有可能可以使用的化合物，交給實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證。
在NERSC，被命名為Edison的超級(jí)計(jì)算機(jī)（Cray XC30）
獲得了比前人精確得多的“候選人”材料庫后，下一步便是大量進(jìn)行驗(yàn)證。負(fù)責(zé)制備實(shí)驗(yàn)所需材料的是一套先進(jìn)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理可以理解為一臺(tái)“噴涂”原子的“噴漆機(jī)”，將需要測(cè)試的材料濺鍍到平面上，形成一層薄層。經(jīng)過熱處理，不同顏色的材料便出現(xiàn)在科學(xué)家們眼前，以供進(jìn)一步測(cè)試。
科學(xué)家們一次測(cè)試大量材料的性能。圖中，不同的材料反射不同顏色的光線，意味著它們與太陽光的作用不盡相同。
科學(xué)家們首先測(cè)試了材料吸收光線的性能，之后，對(duì)可以高效吸收陽光的材料進(jìn)一步測(cè)試其生產(chǎn)太陽能燃料的能力。他們借鑒制藥公司的做法，設(shè)計(jì)了一臺(tái)“高通量”光化學(xué)測(cè)試設(shè)備。
所謂的“高通量”實(shí)驗(yàn)，指的是快速對(duì)大量的材料進(jìn)行測(cè)試。他們發(fā)明的設(shè)備可以以高于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法100到1000倍的速度，測(cè)試材料在陽光的輻射下，將水分解成氫氣和氧氣的能力。最終，他們驗(yàn)證出12種光陽極材料，這幾乎讓人類已知的光陽極材料數(shù)量翻倍。
而且，除了發(fā)現(xiàn)了這些新材料，研究人員還透過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，了解了其內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)，讓他們明白為什么這些材料可以用于光催化反應(yīng)。
更重要的是，利用該研究的結(jié)果，世界各地的科學(xué)家可以進(jìn)一步對(duì)這些新材料進(jìn)行測(cè)試，從而能夠找出讓其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)太陽能燃料的技術(shù)方案?；蛘邊⒄账麄兊摹袄碚撚?jì)算+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的模式，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)更多的材料，共同為人類的清潔未來努力。
除了上文所述的高能量密度，該研究還可能實(shí)現(xiàn)太陽能燃料的另外兩個(gè)重要的意義：
首先，相比于電能來說，燃料的儲(chǔ)存要方便得多。太陽能光伏發(fā)電可能是間隙的、不連續(xù)的，但只要先把光轉(zhuǎn)化成燃料，就可以先儲(chǔ)存起來，在需要使用的時(shí)候拿來再用。因此，與太陽能光伏發(fā)電不同，太陽能燃料可以突破晝夜更替、天氣變化的魔咒。而且，一個(gè)地方生產(chǎn)的太陽能燃料，還可以運(yùn)到另一個(gè)地方去使用。這意味著將太陽能的生產(chǎn)與使用在時(shí)間和空間上都和產(chǎn)地解綁。
“燃料的重要之處在于——這也是為什么我們到現(xiàn)在還大量使用內(nèi)燃機(jī)而不是電機(jī)的原因——燃料擁有著高得多的能量密度。而且可以非常方便地儲(chǔ)存以及運(yùn)輸——帶著比電池多得多的能量一起走。”研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)之一的John Gregoire表示。
另一個(gè)重要意義在于，含碳太陽能燃料的生產(chǎn)也需要空氣中的二氧化碳。這意味著，太陽能燃料的生產(chǎn)過程將如同植物光合作用一樣，降低大氣中的溫室氣體含量。如果人類燃燒的全部燃料都是太陽能燃料，便不再需要從地下開采碳元素。加上植物等作用，大氣中的二氧化碳將可以在人類依然使用燃料的情況下出現(xiàn)下降。這對(duì)于解決氣候變暖問題有著極其重要的意義。
太陽能燃料技術(shù)的發(fā)展還遠(yuǎn)未成熟，但勞倫斯和加州理工的科學(xué)家們?yōu)檎嬲那鍧嵞茉次磥碚樟亮巳碌穆窂健?
NERSC的超級(jí)計(jì)算機(jī)
附錄參考：原本困難重重的研究
當(dāng)然，可以很容易地就想象到，這個(gè)過程十分困難。如果光分解水很輕松隨意的話，海洋里的水早就被太陽分解成氫氣和氧氣了，哪還用得著先把太陽能轉(zhuǎn)化成植被，再把植被埋在地下，再經(jīng)過數(shù)十億年的高溫高壓和地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，最終轉(zhuǎn)化為石油和煤炭，供我們?nèi)紵兀?
太陽能燃料的生產(chǎn)主要有兩類：直接過程和非直接過程。直接過程不經(jīng)任何能量形式轉(zhuǎn)化，直接把光能變?yōu)槿剂系幕瘜W(xué)能。而非直接過程則涉及到先把光轉(zhuǎn)化為其他能量，比如電能、生物質(zhì)能等。
總的來講，非直接太陽能燃料的生產(chǎn)會(huì)容易一些，因?yàn)樗昧艘恍┮阎募夹g(shù)，比如先利用太陽能光伏電池生產(chǎn)電能，再利用電能分解水；或者先利用太陽能種植甘蔗等作物，再把作物中的糖分轉(zhuǎn)化為乙醇燃料。
但是，其缺點(diǎn)也非常明顯。每一次能源形式的轉(zhuǎn)化，便伴隨著一次能量的損失。非直接太陽能燃料的生產(chǎn)最大的問題便是效率過低、流程復(fù)雜。
因此，如果太陽能燃料想要成功，直接轉(zhuǎn)化是必由之路。
n-型半導(dǎo)體太陽能燃料直接轉(zhuǎn)換原理示意圖：陽光照射到光陽極上，將水中的氧變成氧氣；而在陰極上，則將氫變成氫氣。
然而，直接用太陽光將水或二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料，是一件十分艱難的事情。想想你打開煤氣那撲面而來的熱浪，火箭點(diǎn)火時(shí)噴出的火焰就知道，想要將這么多的能量重新放回氫原子與碳原子、氧原子之間的化學(xué)鍵里，有多么困難。
完成這一任務(wù)，科學(xué)家們依賴一種十分難得一見的催化劑：“光陽極”。這種材料通常是金屬的氧化物，可以吸收太陽能并激發(fā)出電子，最終促成氫氣或其他太陽能燃料的合成。
然而，能夠用作這種催化劑的材料非常有限，而且十分難以發(fā)現(xiàn)：在過去的40年里，科學(xué)家們總共只發(fā)現(xiàn)了16種材料可以用作太陽能光化學(xué)反應(yīng)的陽極，而且大多還是研究別的問題的時(shí)候誤打誤撞發(fā)現(xiàn)的。這些催化劑有的效率低，有的只能利用紫外光，總之就是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足太陽能燃料的生產(chǎn)需求。
因此，光陽極材料的缺乏，成為了太陽能燃料生產(chǎn)的重要瓶頸。
