永續發展目標

發佈日期 : 09 October 2024

發佈者 : Shweta Singh

人工光合作用

滿足日益增長的燃料需求？

由於能源需求不斷增長，石油需求持續攀升，預計其消耗量不會下降。然而，儘管石油需求不斷增長，但油價上漲、石油污染日益嚴重等諸多因素正在影響其使用。此外，地緣政治事件也導致石油供應中斷。俄羅斯與烏克蘭之間的戰爭就是一個例證，它改變了石油需求。為了滿足石油需求，人們正在尋求替代能源。近年來，由於自然資源日益枯竭，人們對傳統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，全球約有870億噸自然資源被消耗。在眾多替代能源中，人工光合作用是目前研究較新的方法之一。

人工光合作用如何生產石油？

科學家利用人工光合作用，成功地利用水、二氧化碳和陽光製造了石油。研究人員能夠開發出利用這些自然資源將太陽能轉化為化學能，並透過模擬此過程將其儲存在燃料分子中的系統。人工光合作用能夠生產多種燃料，包括甲醇（CH3OH）、甲酸（HCOOH）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）等碳氫化合物，以及純氫燃料。此外，過程中使用的裝置是光電化學電池或光伏耦合電解槽。

詳細了解流程

• 1. 第一個主要步驟是利用陽光和光催化劑將水分解成碳氫化合物和氧氣，其中光催化劑起著至關重要的作用。無需電力，只需將光聚焦到浸沒在水中的片狀催化劑上，水即可分解成氫氣和氧氣。由於採用了太陽能，此方法的優點在於整個生產過程中不會產生二氧化碳。
• 2. 此外，為了從釋放的氫氧混合氣體中分離出氫氣，需要使用分離膜。由於氫氣和氧氣混合後具有爆炸性，因此必須正確、安全地將氫氣與氧氣分離。

一種利用燃料產生的應用

可以利用人工光合作用

• 交通運輸－近年來，對電池驅動的電動車的需求日益增長。然而，電池的重量遠遠超過燃料箱，且佔用大量空間。因此，亟需一種既不取代燃料又不會導致全球暖化的解決方案。正因如此，人工光合作用的研究正在蓬勃發展。
• 發電－ 2010年至2021年間，全球電力需求增加了約380太瓦時（TWh）。 2022年上半年，電力需求達到約13,390太瓦時，而2021年同期約為13,000太瓦時。人工光合作用產生的氫氣可用於發電。然而，目前這種方法還無法應用於大型項目，但研究表明，隨著技術的進一步改進，未來不久它也能滿足人們的電力需求。此外，人們也正在研究利用人工光合作用生產塑膠。預計合成塑膠將被可再生材料完全取代。各種含有塑膠塗層的電子產品，例如手機、筆記型電腦、各種醫療器材等等，都將被再生塑膠所取代。

自然界的區別

光合作用和人工光合作用

與利用陽光、水和二氧化碳產生葡萄糖和氧氣的自然光合作用不同，人工光合作用是將太陽能保存在太陽能燃料的化學鍵中。因此，人工光合作用的三個主要過程與自然光合作用相同：吸收光能達到激發態、光合作用、電荷分離、化學轉化生成燃料。

哪些地區的比賽比較多？

重點關注人工光合作用？

亞太地區石油需求量龐大，導致化石燃料造成的污染十分普遍。例如，亞太地區的石油日消費量已從2012年的約3,000萬桶增加到2021年的近3,600萬桶。因此，該地區已啟動多項舉措，以促進人工光合作用技術的應用。 2022年，日本正籌備另一項重大試驗，該試驗將採用人工光合作用技術。這項新興技術有望徹底改變全球降低碳排放的嘗試。這項由日本政府資助的計畫旨在於2030年對該技術進行測試，計畫由東京大學與三菱化學、豐田汽車等公司以及研究機構合作進行。透過讓化學企業同意採用這項技術，目標是在 2040 年前實現商業化。此外，2020 年，美國能源部 (DOE) 表示，為了加強人工光合作用（即利用陽光生產燃料的過程），將在五年內撥款1 億美元，用於兩項新的獎勵計畫。

人工光合作用市場展望

到2035年底， 人工光合作用產業預計將創造2.58億美元的最大收入。 2022年，該產業的收入約為6,800萬美元。預計在2023年至2035年的預測期內，該產業的複合年增長率將達到約17% 。

進一步研究人工光合作用

鑑於目前人工光合作用的效率遠低於自然光合作用，人們正在對其進行改進。人工光合作用的分子奈米顆粒比目前的太陽能板技術更便宜、更輕、更環保，這是推動這項技術進一步發展的因素之一。為了減少對現有能源的依賴，預計人工光合作用的應用將會成長。此外，由於該方法能夠吸收二氧化碳並釋放氧氣，因此有望逆轉全球暖化的影響。人工光合作用產生的氫氣可用於為改良型內燃機或混合動力汽車的燃料電池提供燃料。此外，它還可以作為一種非化石化學原料來生產氨，而氨是食品生產所必需的。

結論

人們期望人工光合作用能夠滿足能源需求。然而，人口對能源的需求持續成長且永無止境。因此，如果這種需求持續上升，人工光合作用將無法提供所需的能源，因為能源需求與化石燃料的比例每年都在變化，而人工光合作用無法滿足這種變化。這項技術尚屬新興領域，目前仍在研究中。因此，人們對化石燃料的依賴程度可能仍然存在，而且由於其他替代能源的出現，人工光合作用的發展預計會受到阻礙。然而，政府的措施將有助於推動相關研究活動。此外，由於技術和研究的進步，化學家們已經創造出比現有系統更有效率十倍的人工光合作用系統。