超级计算机催生全新能源形态,人类或将摆脱化石燃料实现零碳循环


一直以来,人类都依赖着化石燃料驱动文明。然而,在化石燃料储量日益减少、气候变暖日益加剧的今天,科学家们一直希望开发出一种新型燃料的生产技术:太阳能燃料。


所谓的太阳能燃料,其实是一个脑洞大到类似于“水变油”的想法:利用太阳能,将传统燃料燃烧后的“废物”——水或二氧化碳——重新转换成燃料。想法虽然十分美好,但这一过程十分艰难复杂,科学家们到现在都还没有找到合适的解决方案。不过,最近的一项研究将很有可能将改变这一现状。


长久以来,已知可以用于生产太阳能燃料的催化剂只有 16 种。来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)和加州理工学院的研究人员利用超级计算机采用了全新的方法,在两年内便新发现了 12 种催化剂大大推进了太阳能燃料的研究进程。


3 月 6 日,此项重要研究成果发表在美国国家科学院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)上。


在阳光的照射下,名为“光阳极”的催化剂材料将水分子中的氢和氧进行分离,生成氢气和氧气(图中气泡)。这一重大研究突破将可能助推太阳能燃料的大规模生产。


那么问题来了,我们已经拥有相当高效的太阳能电池了,可以直接把太阳能转化为电力。为什么科学家们还在研究把太阳能转化为燃料的技术呢?答案是:纵使太阳能电池的效率再高,人类也离不开燃料


自1776年,英国人瓦特改良的蒸汽机发出第一声轰鸣开始,人类就再也无法摆脱燃料。不论是火箭、飞船,还是车辆、潜艇,亦或是工业生产、炒菜做饭,人类生活的方方面面都与燃料息息相关。两百多年来,我们这个地质学意义上几乎是一个瞬间的时间里,把地球几十亿年的化石储备燃烧掉,首先转化成热,然后再变成机械能、电能,当然了,还有造成温室效应的二氧化碳。


可以这么说,现代人类社会的几乎全部动力都基于下面这个简单的化学反应:


碳氢化合物 / 氢气 + 氧气 → 水 + 二氧化碳



然而,就算地球上的燃料暂时还不会耗尽,化石燃料燃料带来的气候变暖已经火烧眉毛。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告称,如果人类想要让地球摆脱生态崩溃、海平面上升、粮食短缺甚至陷入战乱的梦魇,必须把温度上升限制在2度以内——或者说,还能再排约1亿吨二氧化碳。如果人类按照现有情况继续排放,只需要20到30年就可以“达成”这个危险的目标。


化石燃料已不能再如此大规模使用,却并不是所有地方都能用电力替代。在特斯拉等公司的大力推动下,电力汽车似乎离彻底取代化石燃料汽车只剩一步之遥。然而,锂电池的能量密度——单位重量能源载体所能释放的能量——却小得可怜,这使得电力汽车的里程十分受限。


举例而言,一台两顿重的电动汽车顶多可以行使约300公里你无法想象,一架飞机背着满满一机腹的电池起飞,也不可能让一艘轮船带着比货物重得多的电池远航。



各种能源载体能量密度对比:锂离子电池的能量密度过低,以至于只能用在少数领域。可不要小看你的小肚腩,脂肪是极佳的能量载体。一个伟岸的将军肚里所蕴含的能量,很可能胜过一台充满电的特斯拉汽车。


因此,几十年来,科学家们都致力这样一件事:将燃料燃烧的反应逆转——利用取之不尽、用之不竭的太阳能,把水和二氧化碳重新变回燃料:


水+二氧化碳碳氢化合物 → 氢气+氧气


在太阳的帮助下,让燃烧的产物摇身一变,变成生产燃料的原料,重新用于工业、交通、发电、采暖等诸多领域。如果该技术最终得以实现,将对人类的清洁能源未来有着重大的意义:我们终于可以摆脱化石燃料,实现零碳循环。


整个过程却十分困难。实现太阳能燃料的合成,需要依赖高效的催化剂。可是,这种催化剂十分稀少——过去40年间,科学家们只发现了 16 种,而且还是研究别的问题的时候误打误撞发现的。这16种材料的表现也并不尽如人意。


但是,来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和加州理工学院的研究人员只用了 2 年时间,便新增了12种可以用作光阳极的材料。他们是怎么做到的呢?答案是:超级计算机进行理论计算 + 高通量实验法大量筛选。


密度泛函理论(DFT)被广泛应用于计算多电子体系的电子结构。本研究进一步改进了这一算法,用以精确、高效地计算金属氧化物的能带。


首先,科学家们建立了一个涵盖多达 60,000 种金属氧化物材料的数据库;其次,科学家改良了一种叫做“密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)”的研究多电子体系电子结构的量子力学计算方法,在保留了其高效的同时,提高了计算半导体禁带宽度的精度。


采用了许多加快计算速度的方法之后,科学家们获得了此类计算的史上最快速度。然而,要对数据库里60,000种材料的化学性质逐一进行详细计算,依然是一项十分浩大的工程——如此巨大的计算量,在太阳能燃料直接转化刚刚提出的数十年前,是不可想象的。


科学家用超级计算机计算了60,000种材料的化学性能,从中筛选出几十种以供测试


但是,21世纪的科学家拥有了一项前所未有的强大工具:超级计算机。科学家们使用了美国能源部旗下的国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算机,进行了几百次理论计算——从中筛选出了几十种有可能可以使用的化合物,交给实验设备进行验证。


在NERSC,被命名为Edison的超级计算机(Cray XC30)


获得了比前人精确得多的“候选人”材料库后,下一步便是大量进行验证。负责制备实验所需材料的是一套先进的系统。该系统的工作原理可以理解为一台“喷涂”原子的“喷漆机”,将需要测试的材料溅镀到平面上,形成一层薄层。经过热处理,不同颜色的材料便出现在科学家们眼前,以供进一步测试。


科学家们一次测试大量材料的性能。图中,不同的材料反射不同颜色的光线,意味着它们与太阳光的作用不尽相同。


科学家们首先测试了材料吸收光线的性能,之后,对可以高效吸收阳光的材料进一步测试其生产太阳能燃料的能力。他们借鉴制药公司的做法,设计了一台“高通量”光化学测试设备。


所谓的“高通量”实验,指的是快速对大量的材料进行测试。他们发明的设备可以以高于传统实验方法100到1000倍的速度,测试材料在阳光的辐射下,将水分解成氢气和氧气的能力。最终,他们验证出12种光阳极材料,这几乎让人类已知的光阳极材料数量翻倍。


而且,除了发现了这些新材料,研究人员还透过理论计算和实验验证,了解了其内部的电子结构,让他们明白为什么这些材料可以用于光催化反应。


更重要的是,利用该研究的结果,世界各地的科学家可以进一步对这些新材料进行测试,从而能够找出让其大规模工业应用生产太阳能燃料的技术方案。或者参照他们的“理论计算+实验验证”的模式,进一步发现更多的材料,共同为人类的清洁未来努力。



除了上文所述的高能量密度,该研究还可能实现太阳能燃料的另外两个重要的意义:


首先,相比于电能来说,燃料的储存要方便得多。太阳能光伏发电可能是间隙的、不连续的,但只要先把光转化成燃料,就可以先储存起来,在需要使用的时候拿来再用。因此,与太阳能光伏发电不同,太阳能燃料可以突破昼夜更替、天气变化的魔咒。而且,一个地方生产的太阳能燃料,还可以运到另一个地方去使用。这意味着将太阳能的生产与使用在时间和空间上都和产地解绑。


“燃料的重要之处在于——这也是为什么我们到现在还大量使用内燃机而不是电机的原因——燃料拥有着高得多的能量密度。而且可以非常方便地储存以及运输——带着比电池多得多的能量一起走。”研究团队领导之一的John  Gregoire表示。


另一个重要意义在于,含碳太阳能燃料的生产也需要空气中的二氧化碳。这意味着,太阳能燃料的生产过程将如同植物光合作用一样,降低大气中的温室气体含量。如果人类燃烧的全部燃料都是太阳能燃料,便不再需要从地下开采碳元素。加上植物等作用,大气中的二氧化碳将可以在人类依然使用燃料的情况下出现下降。这对于解决气候变暖问题有着极其重要的意义。


太阳能燃料技术的发展还远未成熟,但劳伦斯和加州理工的科学家们为真正的清洁能源未来照亮了全新的路径。


NERSC的超级计算机



附录参考:原本困难重重的研究


当然,可以很容易地就想象到,这个过程十分困难。如果光分解水很轻松随意的话,海洋里的水早就被太阳分解成氢气和氧气了,哪还用得着先把太阳能转化成植被,再把植被埋在地下,再经过数十亿年的高温高压和地质运动,最终转化为石油和煤炭,供我们燃烧呢?


太阳能燃料的生产主要有两类:直接过程和非直接过程。直接过程不经任何能量形式转化,直接把光能变为燃料的化学能。而非直接过程则涉及到先把光转化为其他能量,比如电能、生物质能等。


总的来讲,非直接太阳能燃料的生产会容易一些,因为它利用了一些已知的技术,比如先利用太阳能光伏电池生产电能,再利用电能分解水;或者先利用太阳能种植甘蔗等作物,再把作物中的糖分转化为乙醇燃料。


但是,其缺点也非常明显。每一次能源形式的转化,便伴随着一次能量的损失。非直接太阳能燃料的生产最大的问题便是效率过低、流程复杂。


因此,如果太阳能燃料想要成功,直接转化是必由之路。


n-型半导体太阳能燃料直接转换原理示意图:阳光照射到光阳极上,将水中的氧变成氧气;而在阴极上,则将氢变成氢气


然而,直接用太阳光将水或二氧化碳转化为燃料,是一件十分艰难的事情。想想你打开煤气那扑面而来的热浪,火箭点火时喷出的火焰就知道,想要将这么多的能量重新放回氢原子与碳原子、氧原子之间的化学键里,有多么困难。


完成这一任务,科学家们依赖一种十分难得一见的催化剂:“光阳极”。这种材料通常是金属的氧化物,可以吸收太阳能并激发出电子,最终促成氢气或其他太阳能燃料的合成。


然而,能够用作这种催化剂的材料非常有限,而且十分难以发现:在过去的40年里,科学家们总共只发现了16种材料可以用作太阳能光化学反应的阳极,而且大多还是研究别的问题的时候误打误撞发现的。这些催化剂有的效率低,有的只能利用紫外光,总之就是远远无法满足太阳能燃料的生产需求。


因此,光阳极材料的缺乏,成为了太阳能燃料生产的重要瓶颈。