中国科学院院士李灿：发展人工光合成产业是“一石三鸟”之举

2023-05-05

【院士访谈】

◎本报记者张佳星

自然界的光合作用给了我们启发。光合作用的本质是能量固定的过程。以人工方法实现光合作用的研究持续了很多年，有光催化、电催化、热催化、酶催化等技术路线。这些研究正朝着不断提高人工光合作用的效率、实现规模化生产的方向前进。

党的二十大报告指出，推动经济社会发展绿色化、低碳化是实现高质量发展的关键环节。

实现绿色化、低碳化发展，自然界本身就蕴藏着可借鉴的路径。比如，光合作用不仅消耗二氧化碳，还将光能固定，为生命活动提供必需的能量。光合作用与能源利用过程可构成一个完整的生态循环。如果让光合作用规模与能源利用规模实现平衡，则可同时实现碳减排与经济发展。

然而，自然界光合作用在短时间内消纳的二氧化碳数量有限。那么，是否可以用工业化的方法，将光能固定，为生产生活提供能量，同时实现二氧化碳的消化或者利用呢？

答案是肯定的。在“双碳”目标的引领下，我国科研人员正在不断完善人工光合成技术。“它的规模化应用不仅可以充分利用可再生能源，大规模消纳二氧化碳，还能解决能源的多样化问题，以多种方式储存能源便于不同行业产业的利用，实现‘一石三鸟’的创新路径。”近日，中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿就此接受了科技日报记者专访。

光伏发电能量利用率大幅提升

记者：当前光伏发电技术已经相对成熟并且应用广泛，还需要对太阳能进行更进一步的利用吗？

李灿：光伏发电是大家最熟悉的太阳能利用方式，其能量利用率近年来大幅提升，提升速度是10年前难以想象的。过去晶硅电池的太阳能利用率只有百分之十几，而今，太阳能的工业化利用效率平均可达22%，在实验室能达到26%。理论物理学家估算，太阳能单晶硅电池的太阳能利用率的极限值为31%，因此可以说，以光伏发电的方式利用太阳能，其能量利用率已经非常接近极限值。

如今，能量利用率不再是关键制约问题，并网利用的问题随之凸显。目前在我国新疆、青海、内蒙古、甘肃等西部地区，光伏发电量巨大。受资源分布限制，光伏、风电等的发电量大多来自偏远地区，这些地区很难铺设规模化电网或者特高压电网，发出的电难以并网使用。正因为如此，这些年出现了“弃风弃光”现象。

到2030年，我国光伏发电、风电装机容量要达到12亿千瓦的目标。目前看，这个目标可以超额完成，当前更大的挑战在于如何实现巨量风、光发电的有效利用。

为了解决这些问题，我们提出将太阳能转化为燃料或化学品加以利用（Power-to-X），从而通过适宜技术高效、便捷地使用大量已经发出来的电。

记者：您提到的适宜技术具体指什么？目前有哪些适宜的技术，应用后可达到怎样的效果？

李灿：这些技术是指在不修建输电网的基础上，将可再生能源产生的电能转化为其他能源形式，例如可运输的液体燃料。

实现人工光合作用的规模化利用，将给生产生活带来很大变化。比如工信部正在倡导甲醇燃料汽车，以绿色甲醇代替汽油将大大降低污染物排放，并实现碳中和。另外，甲醇、甲醛等是材料合成、生物医药等工业的原材料，通过二氧化碳转化的方式获得这些原料将大大降低相关产业对化石资源的依赖。在人工合成淀粉的研究中，我们团队参与了前端环节。这项研究通过把二氧化碳转化成甲醇，再进一步合成碳水化合物，有望带来人类获取食物模式的变革。

人工光合成产业发展迎来新契机

记者：以人工方法实现光合作用的优势是什么？

李灿：发展人工光合成产业，初衷是把取之不尽的太阳能有效利用起来。10年前，中国科学院开启了一个太阳能利用行动计划，由我和褚君浩院士领衔推进。计划启动之初，我们对中国太阳能利用水平、技术路径、产业规模等做过全面的战略分析，认为发展人工光合成产业是极具潜力的方向之一。

随着我国“双碳”目标的确定，人工光合成产业迎来发展契机。光合作用的主要原料是二氧化碳和水，可以把二氧化碳从“废气”变为“资源”。

当前人类已经发展了一些消纳二氧化碳的技术，比如碳捕捉、碳封存，把工业排放的二氧化碳捕捉下来注入到深井里封存起来，但这种方式是净投入的，后续没有产出。人工光合成方法却可以“变废为宝”，在消纳二氧化碳的同时，生产出原料。因此我认为，人工光合成是可持续发展的“碳捕捉”方式。

记者：这样看来，二氧化碳也是一种资源，应如何利用这种资源呢？

李灿：二氧化碳的资源化利用研究由来已久，但由于二氧化碳的强惰性，需要足够的能源来激活，不像氢气、氧气活泼易利用，因此相关研究进展缓慢。

现在情况不同了，我前面说到光伏发电量大且成本降低，但并网困难。人工光合成技术可以将这些能源利用起来，比如一步法电解二氧化碳制备烯烃和含氧化合物等。另一种规模化转化二氧化碳的技术是两步法，即通过光伏发电电解水制氢，然后加入二氧化碳制甲醇、汽油，再制成各种化学品。目前，通过这种方法制备甲醇已经进入工业示范阶段，制备汽油处于中试阶段，其他产品的制备还处于基础研究阶段。据估算，这种方法可为市场提供约1亿吨甲醇，减排空间达3.5亿吨；如制备汽油，减排空间达到6亿吨以上；其他制备路径也可在提供工业原材料的同时，实现数亿吨的碳减排。

推进技术的工业化落地是系统工程

记者：既然二氧化碳的资源化利用能带来多方面的收益，那为什么它的发展没有我们想象的顺利？

李灿：随着技术的进步，很多以前认为不可能的或艰难的工作，已经具备了条件。比如，制氢曾被定义为一项非常困难、非常耗能的技术，但实际上目前其成本已经非常可控了。当离网电价在每度0.3元时，电解水制氢成本是每公斤18元，比煤化工制氢的每公斤10元贵不少；但当离网电价降到每度0.1元时，制氢成本降到大约每公斤7元，在此基础上制备工业原料甲醇成本仅每吨1700元，比煤化工制甲醇每吨2500元的成本低很多。而光伏国际招标价已经降到每度0.14元。可见，太阳能发电电力成本的大幅降低，为人工光合成过程中的氢气、甲醇制备等问题“松了绑”。

记者：应如何推动人工光合成的产业化发展？

李灿：从最开始的基础研究、催化剂筛选到最终落地、规模化生产，甚至带动产业链的延伸，整个链条非常长，也面临一系列困难。

首先是成本问题。很多研究在实验室表现非常好，发的论文也很漂亮。但能不能转化落地、在市场中生存下来，成本是决定性因素。这要求研究团队在进行基础研究时就考量生产过程的反应条件、工程造价等问题，在成果转化过程中与企业合作攻关、不断调整优化方案，并与地方政府通力合作，促成项目落地。

其次是协同攻关问题。人工光合成的技术链条很长，一个企业很难在各类技术中都处于最优状态，需要多家企业合作。目前，以我们团队的研发成果为核心，在兰州新区已经建起了液态阳光甲醇合成示范项目。这一项目从零起步，没有任何可借鉴的样板，必须开展协同创新。目前这一项目正在与中煤集团合作推进十万吨级的工业化生产。

当前更多的人工光合成技术路线正在迈向产业化，例如冰岛利用地热能发电的二氧化碳制备甲醇技术已实现中试，智利进行了用空气中捕获的二氧化碳制备绿色汽油的百吨级示范；我国也进行了二氧化碳加氢制甲醇的工业化示范。未来，期待各方力量转变现有的碳减排思路，形成合力，挖掘二氧化碳资源化利用的潜力，从而在解决能源问题的同时实现低碳发展。