2020 年 12 月 10 日 - 11 日，由浙江省委人才辦、紹興市委市政府、《麻省理工科技評(píng)論》主辦的全球青年科技領(lǐng)袖峰會(huì)暨《麻省理工科技評(píng)論》中國 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 頒獎(jiǎng)典禮在紹興上虞舉行。“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國榜單正式發(fā)布。

會(huì)上，南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師羅景山發(fā)表了以《光電催化合成燃料和化學(xué)品助力碳中和》為主題的演講，以下為經(jīng)過整理后的演講實(shí)錄：

圖｜羅景山教授

2015 年，在巴黎召開的第二十一屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì)通過了《巴黎協(xié)定》，為控制全球氣溫而努力。

2020 年 9 月份，國家主席習(xí)近平在聯(lián)合國大會(huì)上發(fā)表重要講話，提出爭(zhēng)取在 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。羅景山在演講中說：“碳中和能源技術(shù)是世界科技研究的前沿，對(duì)標(biāo)的是經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，同時(shí)也是我們國家的重大需求。”

綠水青山就是金山銀山。碳中和對(duì)于改善環(huán)境，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展至關(guān)重要。“碳中和，顧名思義就是二氧化碳的排放總量和減少的二氧化碳總量相當(dāng)。” 羅景山解釋道，“實(shí)現(xiàn)碳中和的方式有很多，最直接的是從利用化石能源過渡到使用清潔可再生能源。”

據(jù)國際能源署統(tǒng)計(jì)，2016 年煤炭在我國發(fā)電能源中占比接近 60%。“如果要在 2060 年實(shí)現(xiàn)碳中合，我們必須削減煤炭的用量，預(yù)計(jì)在 2040 年實(shí)現(xiàn)把煤炭的用量減少到 30%。但到 2040 年，我們消耗的能量會(huì)更多，這時(shí)候我們需要開發(fā)更多的清潔可再生能源來補(bǔ)足這部分能量的需求。” 羅景山說。

“太陽照射地球一個(gè)小時(shí)，產(chǎn)生的能量足夠我們?nèi)祟愑靡徽辍！?羅景山的研究主要與太陽能轉(zhuǎn)換相關(guān)。在過去幾年，他的團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)開發(fā)高效光電材料和器件。他介紹說：“我們現(xiàn)在用的光伏電池本身沒有存儲(chǔ)功能，如果想大規(guī)模利用光伏，需要解決存儲(chǔ)問題。存儲(chǔ)太陽能的手段有很多，綠色植物可以吸收太陽光，把水和二氧化碳轉(zhuǎn)變成葡萄糖，以燃料的形式存儲(chǔ)起來。我們可以模擬這一過程，進(jìn)行人工光合作用，利用太陽能把水和二氧化碳轉(zhuǎn)變成我們所需要的清潔燃料和化學(xué)品。”

太陽能轉(zhuǎn)換主要分為光解水制氫和二氧化碳還原兩種，羅景山的研究聚焦于這兩個(gè)方面。他在演講中介紹了他的工作：“首先我們做出高效、低成本的光電極材料，其次開發(fā)高效低成本的電催化劑材料，最后把兩者高效耦合，構(gòu)筑成高效的器件。”

在光解水制氫方面，他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了兩種半導(dǎo)體材料，一種是光陽極，另外一種是光陰極。當(dāng)用導(dǎo)線把這兩種材料連接一起置于水中，在光的照射下，水就可以自動(dòng)的分解成氫氣和氧氣；此外，他的團(tuán)隊(duì)用光伏電池和電催化劑耦合的方式實(shí)現(xiàn)了高效太陽能光解水制氫。“目前這個(gè)效率可以做到接近 20%，但是由于成本以及穩(wěn)定性等原因還需要進(jìn)一步開發(fā)才能進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。”

盡管如此，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的光解水制氫材料和器件仍有極其廣闊的應(yīng)用前景。目前，國家在大力推行氫燃料電池汽車。氫燃料電池汽車具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，首先它可以在三分鐘之內(nèi)實(shí)現(xiàn)氫氣的加注，而鋰電池汽車需要充電 30 分鐘甚至更長的時(shí)間。“對(duì)于工業(yè)運(yùn)輸用的卡車來說，氫燃料電池汽車更具優(yōu)勢(shì)。” 羅景山補(bǔ)充道，“氫的能量密度遠(yuǎn)高于鋰離子電池，一公斤的氫氣可以驅(qū)動(dòng)汽車行駛大概 120 公里左右。”

太陽能轉(zhuǎn)換另一個(gè)重要方向是二氧化碳還原。他介紹說：“除了進(jìn)行光解水制氫之外，我們也可以利用太陽能把二氧化碳還原，去合成我們所需要的燃料和化學(xué)品，比如說甲烷、甲醇、乙烯、乙醇等。” 羅景山團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種由氧化錫、氧化銅組成的廉價(jià)催化劑，可以將二氧化碳高效、高選擇性還原合成一氧化碳，選擇性高達(dá) 90%。他們還研發(fā)了一個(gè)太陽能驅(qū)動(dòng)的二氧化碳還原全器件，可以直接使用太陽能實(shí)現(xiàn)二氧化碳到一氧化碳的高效轉(zhuǎn)化。“除了還原二氧化碳生成一氧化碳以外，我們還可以生成乙醇、乙烯等化學(xué)品。我們用銅銀復(fù)合催化劑，可以把二氧化碳高效還原合成乙烯，選擇性高達(dá) 60%。” 他補(bǔ)充說。

盡管團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了較高的選擇性，但離實(shí)際應(yīng)用仍有一定距離。“我們?cè)谶M(jìn)一步研究，希望將來可以接近 90%，甚至 100% 的選擇性，并進(jìn)一步提升能量轉(zhuǎn)換效率，利用二氧化碳合成我們所需要的燃料和化學(xué)品。” 羅景山說。

羅景山對(duì)團(tuán)隊(duì)的研究前景充滿信心。在演講的最后，他展望道：“將來如果太陽燃料研究成功，我們可以利用太陽能，把水、二氧化碳轉(zhuǎn)變成我們需要的燃料和化學(xué)品，去替代現(xiàn)在所用的化石燃料。”

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原文標(biāo)題：南開大學(xué)羅景山：光電催化合成燃料和化學(xué)品助力碳中和，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展

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