可持续发展目标

发布日期 : 09 October 2024

发布者 : Shweta Singh

人工光合作用

满足日益增长的燃料需求？

由于能源需求不断增长，石油需求持续攀升，预计其消耗量不会下降。然而，尽管石油需求不断增长，但油价上涨、石油污染日益严重等诸多因素正在影响其使用。此外，地缘政治事件也导致石油供应中断。俄罗斯与乌克兰之间的战争就是一个例证，它改变了石油需求。为了满足石油需求，人们正在寻求替代能源。近年来，由于自然资源日益枯竭，人们对传统化石燃料的偏好有所下降，因此，更多的替代能源正在被研究。每年，全球约有870亿吨自然资源被消耗。在众多替代能源中，人工光合作用是目前研究较新的方法之一。

人工光合作用如何生产石油？

科学家利用人工光合作用，成功地利用水、二氧化碳和阳光制造了石油。研究人员能够开发出利用这些自然资源将太阳能转化为化学能，并通过模拟这一过程将其储存在燃料分子中的系统。人工光合作用能够生产多种燃料，包括甲醇（CH3OH）、甲酸（HCOOH）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）等碳氢化合物，以及纯氢燃料。此外，该过程中使用的装置是光电化学电池或光伏耦合电解槽。

详细了解流程

• 1. 第一个主要步骤是利用阳光和光催化剂将水分解成碳氢化合物和氧气，其中光催化剂起着至关重要的作用。无需电力，只需将光聚焦到浸没在水中的片状催化剂上，水即可分解成氢气和氧气。由于采用了太阳能，该方法的优势在于整个生产过程中不会产生二氧化碳。
• 2. 此外，为了从释放的氢氧混合气体中分离出氢气，需要使用分离膜。由于氢气和氧气混合后具有爆炸性，因此必须正确、安全地将氢气与氧气分离。

一种利用燃料产生的应用

可以利用人工光合作用

• 交通运输——近年来，对电池驱动的电动汽车的需求日益增长。然而，电池的重量远超燃料箱，且占用大量空间。因此，亟需一种既不取代燃料又不会导致全球变暖的解决方案。正因如此，人工光合作用的研究正在蓬勃发展。
• 发电—— 2010年至2021年间，全球电力需求增加了约380太瓦时（TWh）。2022年上半年，电力需求达到约13,390太瓦时，而2021年同期约为13,000太瓦时。人工光合作用产生的氢气可用于发电。然而，目前这种方法还无法应用于大型项目，但研究表明，随着技术的进一步改进，未来不久它也能满足人们的电力需求。此外，人们还在研究利用人工光合作用生产塑料。预计合成塑料将被可再生材料完全取代。各种含有塑料涂层的电子产品，例如手机、笔记本电脑、各种医疗器械等等，都将被可再生塑料所取代。

自然界的区别

光合作用和人工光合作用

与利用阳光、水和二氧化碳生成葡萄糖和氧气的自然光合作用不同，人工光合作用是将太阳能保存在太阳能燃料的化学键中。因此，人工光合作用的三个主要过程与自然光合作用相同：吸收光能达到激发态、光合作用、电荷分离以及化学转化生成燃料。

哪些地区的比赛更多？

重视人工光合作用？

亚太地区石油需求量巨大，导致化石燃料造成的污染十分普遍。例如，亚太地区的石油日消费量已从2012年的约3000万桶增至2021年的近3600万桶。因此，该地区已启动多项举措，以促进人工光合作用技术的应用。2022年，日本正在筹备另一项重大试验，该试验将采用人工光合作用技术。这项新兴技术有望彻底改变全球降低碳排放的尝试。这项由日本政府资助的计划旨在2030年对该技术进行测试，计划由东京大学与三菱化学、丰田汽车等公司以及研究机构合作开展。通过让化工企业同意采用这项技术，目标是在 2040 年前实现商业化。此外，2020 年，美国能源部 (DOE) 表示，为了加强人工光合作用（即利用阳光生产燃料的过程），将在五年内拨款1 亿美元，用于两项新的奖励计划。

人工光合作用市场展望

到2035年底， 人工光合作用行业预计将创造2.58亿美元的最大收入。 2022年，该行业的收入约为6800万美元。预计在2023年至2035年的预测期内，该行业的复合年增长率将达到约17% 。

进一步研究人工光合作用

鉴于目前人工光合作用的效率远低于自然光合作用，人们正在对其进行改进。人工光合作用的分子纳米颗粒比目前的太阳能电池板技术更便宜、更轻便、更环保，这是推动该技术进一步发展的因素之一。为了减少对现有能源的依赖，预计人工光合作用的应用将会增长。此外，由于该方法能够吸收二氧化碳并释放氧气，因此有望逆转全球变暖的影响。人工光合作用产生的氢气可用于为改进型内燃机或混合动力汽车的燃料电池提供燃料。此外，它还可以作为一种非化石化学原料来生产氨，而氨是食品生产所必需的。

结论

人们期望人工光合作用能够满足能源需求。然而，人口对能源的需求持续增长且永无止境。因此，如果这种需求持续上升，人工光合作用将无法提供所需的能源，因为能源需求与化石燃料的比例每年都在变化，而人工光合作用无法满足这种变化。这项技术尚属新兴领域，目前仍在研究之中。因此，人们对化石燃料的依赖程度可能依然存在，而且由于其他替代能源的出现，人工光合作用的发展预计会受到阻碍。然而，政府的举措将有助于推动相关研究活动。此外，由于技术和研究的进步，化学家们已经创造出比现有系统效率高十倍的人工光合作用系统。