超級計算機催生全新能源形態，人類或將擺脫化石燃料實現零碳循環

一直以來，人類都依賴著化石燃料驅動文明。然而，在化石燃料儲量日益減少、氣候變暖日益加劇的今天，科學家們一直希望開發出一種新型燃料的生產技術：太陽能燃料。

所謂的太陽能燃料，其實是一個腦洞大到類似於「水變油」的想法：利用太陽能，將傳統燃料燃燒後的「廢物」——水或二氧化碳——重新轉換成燃料。想法雖然十分美好，但這一過程十分艱難複雜，科學家們到現在都還沒有找到合適的解決方案。不過，最近的一項研究將很有可能將改變這一現狀。

長久以來，已知可以用於生產太陽能燃料的催化劑只有 16 種。來自美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）和加州理工學院的研究人員利用超級計算機採用了全新的方法，在兩年內便新發現了 12 種催化劑，大大推進了太陽能燃料的研究進程。

3 月 6 日，此項重要研究成果發表在美國國家科學院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）上。

在陽光的照射下，名為「光陽極」的催化劑材料將水分子中的氫和氧進行分離，生成氫氣和氧氣（圖中氣泡）。這一重大研究突破將可能助推太陽能燃料的大規模生產。

那麼問題來了，我們已經擁有相當高效的太陽能電池了，可以直接把太陽能轉化為電力。為什麼科學家們還在研究把太陽能轉化為燃料的技術呢？答案是：縱使太陽能電池的效率再高，人類也離不開燃料。

自1776年，英國人瓦特改良的蒸汽機發出第一聲轟鳴開始，人類就再也無法擺脫燃料。不論是火箭、飛船，還是車輛、潛艇，亦或是工業生產、炒菜做飯，人類生活的方方面面都與燃料息息相關。兩百多年來，我們這個地質學意義上幾乎是一個瞬間的時間裡，把地球幾十億年的化石儲備燃燒掉，首先轉化成熱，然後再變成機械能、電能，當然了，還有造成溫室效應的二氧化碳。

可以這麼說，現代人類社會的幾乎全部動力都基於下面這個簡單的化學反應：

碳氫化合物 / 氫氣 + 氧氣 水 + 二氧化碳

然而，就算地球上的燃料暫時還不會耗盡，化石燃料燃料帶來的氣候變暖已經火燒眉毛。根據政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的報告稱，如果人類想要讓地球擺脫生態崩潰、海平面上升、糧食短缺甚至陷入戰亂的夢魘，必須把溫度上升限制在2度以內——或者說，還能再排約1億噸二氧化碳。如果人類按照現有情況繼續排放，只需要20到30年就可以「達成」這個危險的目標。

化石燃料已不能再如此大規模使用，卻並不是所有地方都能用電力替代。在特斯拉等公司的大力推動下，電力汽車似乎離徹底取代化石燃料汽車只剩一步之遙。然而，鋰電池的能量密度——單位重量能源載體所能釋放的能量——卻小得可憐，這使得電力汽車的里程十分受限。

舉例而言，一台兩頓重的電動汽車頂多可以行使約300公里。你無法想像，一架飛機背著滿滿一機腹的電池起飛，也不可能讓一艘輪船帶著比貨物重得多的電池遠航。

各種能源載體能量密度對比：鋰離子電池的能量密度過低，以至於只能用在少數領域。可不要小看你的小肚腩，脂肪是極佳的能量載體。一個偉岸的將軍肚裡所蘊含的能量，很可能勝過一台充滿電的特斯拉汽車。

因此，幾十年來，科學家們都致力這樣一件事：將燃料燃燒的反應逆轉——利用取之不盡、用之不竭的太陽能，把水和二氧化碳重新變回燃料：

水+二氧化碳碳氫化合物 氫氣+氧氣

在太陽的幫助下，讓燃燒的產物搖身一變，變成生產燃料的原料，重新用於工業、交通、發電、採暖等諸多領域。如果該技術最終得以實現，將對人類的清潔能源未來有著重大的意義：我們終於可以擺脫化石燃料，實現零碳循環。

整個過程卻十分困難。實現太陽能燃料的合成，需要依賴高效的催化劑。可是，這種催化劑十分稀少——過去40年間，科學家們只發現了 16 種，而且還是研究別的問題的時候誤打誤撞發現的。這16種材料的表現也並不盡如人意。

但是，來自美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和加州理工學院的研究人員只用了 2 年時間，便新增了12種可以用作光陽極的材料。他們是怎麼做到的呢？答案是：超級計算機進行理論計算 + 高通量實驗法大量篩選。

密度泛函理論（DFT）被廣泛應用於計算多電子體系的電子結構。本研究進一步改進了這一演算法，用以精確、高效地計算金屬氧化物的能帶。

首先，科學家們建立了一個涵蓋多達 60,000 種金屬氧化物材料的資料庫；其次，科學家改良了一種叫做「密度泛函理論（Density Functional Theory， DFT）」的研究多電子體系電子結構的量子力學計算方法，在保留了其高效的同時，提高了計算半導體禁帶寬度的精度。

採用了許多加快計算速度的方法之後，科學家們獲得了此類計算的史上最快速度。然而，要對資料庫里60,000種材料的化學性質逐一進行詳細計算，依然是一項十分浩大的工程——如此巨大的計算量，在太陽能燃料直接轉化剛剛提出的數十年前，是不可想像的。

科學家用超級計算機計算了60,000種材料的化學性能，從中篩選出幾十種以供測試

但是，21世紀的科學家擁有了一項前所未有的強大工具：超級計算機。科學家們使用了美國能源部旗下的國家能源研究科學計算中心（NERSC）的超級計算機，進行了幾百次理論計算——從中篩選出了幾十種有可能可以使用的化合物，交給實驗設備進行驗證。

在NERSC，被命名為Edison的超級計算機（Cray XC30）

獲得了比前人精確得多的「候選人」材料庫後，下一步便是大量進行驗證。負責製備實驗所需材料的是一套先進的系統。該系統的工作原理可以理解為一台「噴塗」原子的「噴漆機」，將需要測試的材料濺鍍到平面上，形成一層薄層。經過熱處理，不同顏色的材料便出現在科學家們眼前，以供進一步測試。

科學家們一次測試大量材料的性能。圖中，不同的材料反射不同顏色的光線，意味著它們與太陽光的作用不盡相同。

科學家們首先測試了材料吸收光線的性能，之後，對可以高效吸收陽光的材料進一步測試其生產太陽能燃料的能力。他們借鑒製藥公司的做法，設計了一台「高通量」光化學測試設備。

所謂的「高通量」實驗，指的是快速對大量的材料進行測試。他們發明的設備可以以高於傳統實驗方法100到1000倍的速度，測試材料在陽光的輻射下，將水分解成氫氣和氧氣的能力。最終，他們驗證出12種光陽極材料，這幾乎讓人類已知的光陽極材料數量翻倍。

而且，除了發現了這些新材料，研究人員還透過理論計算和實驗驗證，了解了其內部的電子結構，讓他們明白為什麼這些材料可以用於光催化反應。

更重要的是，利用該研究的結果，世界各地的科學家可以進一步對這些新材料進行測試，從而能夠找出讓其大規模工業應用生產太陽能燃料的技術方案。或者參照他們的「理論計算+實驗驗證」的模式，進一步發現更多的材料，共同為人類的清潔未來努力。

除了上文所述的高能量密度，該研究還可能實現太陽能燃料的另外兩個重要的意義：

首先，相比於電能來說，燃料的儲存要方便得多。太陽能光伏發電可能是間隙的、不連續的，但只要先把光轉化成燃料，就可以先儲存起來，在需要使用的時候拿來再用。因此，與太陽能光伏發電不同，太陽能燃料可以突破晝夜更替、天氣變化的魔咒。而且，一個地方生產的太陽能燃料，還可以運到另一個地方去使用。這意味著將太陽能的生產與使用在時間和空間上都和產地解綁。

「燃料的重要之處在於——這也是為什麼我們到現在還大量使用內燃機而不是電機的原因——燃料擁有著高得多的能量密度。而且可以非常方便地儲存以及運輸——帶著比電池多得多的能量一起走。」研究團隊領導之一的John Gregoire表示。

另一個重要意義在於，含碳太陽能燃料的生產也需要空氣中的二氧化碳。這意味著，太陽能燃料的生產過程將如同植物光合作用一樣，降低大氣中的溫室氣體含量。如果人類燃燒的全部燃料都是太陽能燃料，便不再需要從地下開採碳元素。加上植物等作用，大氣中的二氧化碳將可以在人類依然使用燃料的情況下出現下降。這對於解決氣候變暖問題有著極其重要的意義。

太陽能燃料技術的發展還遠未成熟，但勞倫斯和加州理工的科學家們為真正的清潔能源未來照亮了全新的路徑。

NERSC的超級計算機

附錄參考：原本困難重重的研究

當然，可以很容易地就想像到，這個過程十分困難。如果光分解水很輕鬆隨意的話，海洋里的水早就被太陽分解成氫氣和氧氣了，哪還用得著先把太陽能轉化成植被，再把植被埋在地下，再經過數十億年的高溫高壓和地質運動，最終轉化為石油和煤炭，供我們燃燒呢？

太陽能燃料的生產主要有兩類：直接過程和非直接過程。直接過程不經任何能量形式轉化，直接把光能變為燃料的化學能。而非直接過程則涉及到先把光轉化為其他能量，比如電能、生物質能等。

總的來講，非直接太陽能燃料的生產會容易一些，因為它利用了一些已知的技術，比如先利用太陽能光伏電池生產電能，再利用電能分解水；或者先利用太陽能種植甘蔗等作物，再把作物中的糖分轉化為乙醇燃料。

但是，其缺點也非常明顯。每一次能源形式的轉化，便伴隨著一次能量的損失。非直接太陽能燃料的生產最大的問題便是效率過低、流程複雜。

因此，如果太陽能燃料想要成功，直接轉化是必由之路。

n-型半導體太陽能燃料直接轉換原理示意圖：陽光照射到光陽極上，將水中的氧變成氧氣；而在陰極上，則將氫變成氫氣

然而，直接用太陽光將水或二氧化碳轉化為燃料，是一件十分艱難的事情。想想你打開煤氣那撲面而來的熱浪，火箭點火時噴出的火焰就知道，想要將這麼多的能量重新放回氫原子與碳原子、氧原子之間的化學鍵里，有多麼困難。

完成這一任務，科學家們依賴一種十分難得一見的催化劑：「光陽極」。這種材料通常是金屬的氧化物，可以吸收太陽能並激發出電子，最終促成氫氣或其他太陽能燃料的合成。

然而，能夠用作這種催化劑的材料非常有限，而且十分難以發現：在過去的40年里，科學家們總共只發現了16種材料可以用作太陽能光化學反應的陽極，而且大多還是研究別的問題的時候誤打誤撞發現的。這些催化劑有的效率低，有的只能利用紫外光，總之就是遠遠無法滿足太陽能燃料的生產需求。

因此，光陽極材料的缺乏，成為了太陽能燃料生產的重要瓶頸。

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