能源利用

能源是现代社会的基石。我们用能源创造新的物质，各类新材料的应用让人类的生活品质日新月异；我们消耗能源维持体面的生活，空调、暖气、汽车、烹饪等等，让人类在任何严苛的环境中优雅生活，便利出行；我们依靠能源上天入地，追逐星辰大海，克服万有引力的束缚和海水阻力的压迫，发现更多的精彩。因此，无论对于个体或者国家，地区或者世界，未来的所有理想在很大程度上建立在充足能源的基础之上。

太阳能的储存和运输

地球的能源大部分来自太阳。如同《流浪地球》描述的一样，太阳的异变对于地球上所有的生命来说都会是不可承受之重。按照目前普遍被接受的认知，数亿年前到数千万年前地球上的植物通过光合作用吸收太阳光的能量，转化为动植物中的有机物，这些有机物经过一系列复杂化学/物理变化，转化成了石油、煤、天然气，成为现代社会主要的能源载体。

石油与煤可能来自于古老生物，比如2亿年前的大带齿兽（Megazostrodon）。

因此节能如此重要：打开燃气灶，燃烧的不仅是甲烷，更可能是7000万年前自由奔跑的霸王龙喷出的“火焰”；开车时一脚油门下去，气缸中喷射的不仅是汽油，更可能是2亿年前悠然漫步的大带齿兽（Megazostrodon）的一个喷嚏。太阳能转化为的石油、煤、天然气，充满着历史的积淀，厚重而又珍贵，我们应当珍惜。

与此同时，石油、煤、天然气这些能源的载体被转化为电能，通过电网输送至千家万户，照亮了现代社会。电能的发现与应用是能源应用的重大变革，使得能量不再依赖载体（或“工质，即实现热、功转换的工作物质”）就可以被高效利用。发电厂通过燃烧石油、煤、天然气等能源载体获得热能，进而转化为电能，用一根电线，一股电流，就实现了把远古的太阳能传递给当代千家万户的伟大成就，能量的输送从未如此简单。

太阳能的储存始于数亿年前，转化为了实实在在的物质；这些累积的能量通过石油、天然气管道，或者运煤列车被送至世界各地，供给社会的方方面面，其中一部分实实在在的能量载体，被转化为略显虚无的电流，成就万千人类的梦想。

当下太阳能的应用，是可持续发展的希望

在能源危机似乎没有那么遥远的今天，我们不得不正视未来的能源来源。

每年地球从太阳接收到的总能量，远远超过人类每年的消耗。如果可以将取之不尽用之不竭的太阳能充分利用，能源问题将不复存在。人们一直在努力实现这一目标。事实上，早已被广泛采用的水力发电就是对太阳能的间接应用：太阳将海水蒸发送往内陆，下雨之后，小溪变成河流推动发电机，转化为清澈的水电并入电网。

但水电还远远不够。人们发展了风电、潮汐能发电等技术，进一步利用间接的太阳能；以及发明了各种太阳能电池，将阳光直接转化为电能并网。但上述技术都面临着间歇性的问题：即它们依赖稳定的风、稳定的潮汐、稳定的光。

可持续发展需要稳定，我们要想办法将每一天或许并不稳定的阳光累积起来，以实现子孙后代的梦想。

累积阳光的时候简单一点

当我们想到稳定储能的时候，植物早就想到了。遗憾的是，现代社会对能源的需求变得更加精细，植物光合作用所固定的太阳能，转化为了多种不同的化学物质。而很多种化学物质，意味着植物在应用层面需要花费大量的成本来提纯。那么，阳光可以被“分解”储存吗？

善于反向思维的科学家找到了新的突破点。既然煤、石油发电是把物质储存的太阳能转化为电能，输送给千家万户；那不如先将太阳能转化为电能，再储存起来分发给用户。但前面提到过，不管是直接的太阳能还是间接的太阳能，都间歇性限制了其推广应用。因此两条路线被逐渐发展成形。一种在间歇发电装置附近建设储能电站，把不稳定的电能转化为电池中的化学能，再并入电网进行分发，即“太阳能—电能—储能—应用”路线，简称为“储能路线”；而另一种，则是将不稳定电能转化为单一的、易于应用的物质，通过现有石油、天然气、煤的分发方式进行分发—发电—输送，即“太阳能—电能—物质—应用”路线，简称为“液态阳光路线”。

相比储能路线，液态阳光路线或许更加持久。储能路线依赖于储能电站的建设，电站的电池容量可以实现缓冲间歇电能并网的目标，却难以完成生产能源工质、作为战略能源储备的任务。战略能源储备，要求即使在严重自然灾害、战争，甚至是地球面临毁灭等极端情况下，依然可以为设备提供能量——用物质而非电网供能，显然更加可靠。

液态阳光实现了太阳能储存至单一化学品进行利用的目的。

中国科学院白春礼、张涛、李静海等人在2018年提出了液态阳光（Liquid sunshine）的概念[2]，为化石燃料枯竭的未来提供了一种可能的能源解决方案。所谓液态阳光，是一整套的能源解决方案——利用阳光、水、二氧化碳生产性能稳定、能量密度大、适应国际运输和分发的液态醇类燃料，并通过液态醇类燃料的清洁转化和排放二氧化碳的重新循环，最终实现二氧化碳的零排放。如图所示，液态阳光不仅可以固定太阳能与二氧化碳，更可以生产如甲醇、乙醇等单一化学物质，通过现有的原油、天然气输送系统或分发路线进行利用，能源转换成本低而效率高，有望成为未来重要的能源载体。

单一化学物质至关重要。如同前面提到的，现代社会建立在各种物质的创造和能量利用之上，而创造新物质和能量利用，都需要单一化学物质，而非组成复杂的混合物。事实上，目前从混合物分离出单一物质的能量消耗，占到了世界总能耗的10%~15%[3]。物质越简单越利于应用，这也是推广垃圾分类的一大原因。因此，液态阳光不仅可以作为未来的能源载体，更可能会推动化学工业、材料工业等领域的革新与发展，形成从能量载体到物质原料的多重身份。

不用等到未来的未来

事实上，2020年首套千吨级液态阳光示范项目已经落地[4]，而10万吨级的工业化也正在实施过程中。

目前液态阳光的研究和应用的难题，在于如何高效地把二氧化碳加氢、脱氧还原为醇类分子。二氧化碳本身是非极性分子，反应活性较弱，但人们可以在电极上较为高效地把二氧化碳上加上一分子的氢气，从而获得甲酸（HCOOH）。甲酸能够提供的能量十分有限，如何进一步从甲酸分子脱氧加氢获得甲醇（CH3OH），才是目前学术界的研究热点。可能的突破路线一方面包括利用催化剂的设计来拔掉氧原子，另一方面则考虑向生命体学习，模拟光合作用等生物过程实现拔氧脱氢的效果。事实上，在这些研究当中，人工智能早已经在发挥作用，毕竟从已有的人类知识筛选最佳的催化剂/生物催化路线，合理而又高效。

但突破性的发展还不能仅仅依赖人工智能，毕竟所谓“突破性”，本身不就往往意味着脱离传统套路吗？化学家的奇思妙想的努力已经逐渐把我们推向未来，而也正因为这些努力，使得在面对灾难、战争的时候，我们才不会在能源层面受制于人。

那么在氦闪之前，让我们干了这杯液态阳光。（文字来源为返朴，有部分删减）

参考文献

[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]千吨级“液态阳光”合成项目示范成功-2020年[EB/OL].(2021-01-08) [2022-12-23]. https://www.cas.cn/cg/cgzhld/202101/t20210112_4774334.shtml

撰文：李存璞（重庆大学化学化工学院教授）

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