夏亞沈：CO2資源化和燃料合成——綠色機會(huì )和未來(lái)

2018年1月12日，由中國科學(xué)院科技戰略咨詢(xún)研究院、國際能源署（IEA）、聯(lián)合國項目事務(wù)署（UNOPS）指導，中國能源研究會(huì )分布式能源專(zhuān)業(yè)委員會(huì )、中國能源網(wǎng)等聯(lián)合主辦，國家電網(wǎng)公司、漢能控股集團等協(xié)辦的“2018未來(lái)能源大會(huì )”在北京隆重召開(kāi)。美國HyCharEnergy公司創(chuàng )始人，海加控股集團公司總裁和首席科學(xué)家夏亞沈作了題為“CO₂資源化和燃料合成——綠色機會(huì )和未來(lái)”的演講。 

以下內容根據演講實(shí)錄整理摘編：

夏亞沈：非常榮幸到這里來(lái)跟大家交流。我今天給大家介紹一下我們做的這個(gè)項目。這個(gè)項目做了大概十幾年，主要是跟西北大學(xué)還有美國其他院校合作，研究一個(gè)重大的問(wèn)題-我們一直在關(guān)注的，就是二氧化碳的資源化。

這些事情我們應該都比較清楚，二氧化碳問(wèn)題跟能源有關(guān)系。我們現在要用很多很多的石油，也要用很多很多的煤炭。原油大量的依賴(lài)國外，依存度達到65%。煤炭也是我們的一個(gè)主要的應用，這樣我們就會(huì )產(chǎn)生很多的二氧化碳。二氧化碳問(wèn)題，不管是從美國到歐洲，包括中國，這個(gè)問(wèn)題在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在考慮怎么樣能夠解決。

我們把這個(gè)東西做了一個(gè)課題，要把二氧化碳用掉。首先我們是煤炭大國，就必然要進(jìn)行煤炭燃燒，這是主要一個(gè)取得能量的辦法?，F在講究煤清潔化，但其轉化過(guò)程也產(chǎn)生很多的二氧化碳。不管是用煤來(lái)生產(chǎn)合成油，或者是合成甲醇，都無(wú)法避免，排放非常巨大。二氧化碳成了一個(gè)世界非常關(guān)注的問(wèn)題。

二氧化碳問(wèn)題到底能不能解決？我們的觀(guān)點(diǎn)，或從開(kāi)始研究這個(gè)課題的時(shí)候，我們就認為這個(gè)問(wèn)題是可以解決的。原因在我們地球的早期，45億年左右，在地球形成的時(shí)候，地球冷卻成一個(gè)球體的時(shí)候，從幾千度冷卻到現在的平均溫度15度，經(jīng)歷過(guò)一個(gè)非常長(cháng)的過(guò)程，當地球形成固體以后，有很多很多的火山爆發(fā)?？茖W(xué)界經(jīng)過(guò)多少年的研究，做了很多的模型，做了很多的地質(zhì)調查，發(fā)現當時(shí)地球的二氧化碳可能有10個(gè)大氣壓，濃度非常高，地球上主要的成分是二氧化碳和水氣從火山噴發(fā)出來(lái)，并沒(méi)有氧氣。這些二氧化碳和水氣，在某種條件下，逐步地還原，當然這里面發(fā)生了很多的過(guò)程，逐步的還原，最后大量的下降，最后下降到工業(yè)革命的時(shí)候，大概是200個(gè)PPM，現在又上升到400個(gè)PPM。實(shí)際上早期這些碳和水氣中的氫，已經(jīng)大量的合成出碳氫化合物。這些碳氫化合物就變成了植物和生物。那么，在什么樣的條件下，才能夠把它們合成出碳氫化合物呢？又怎么樣能夠放出這么多氧氣，最后變成一個(gè)目前的有氧氣的地球？我們認為，是由于當時(shí)大量的負電性的閃電產(chǎn)生的作用生成了碳氫化合物。這樣一來(lái)，它才有很多很多的碳氫化合物。水氣和二氧化碳合成，最后合成出一些不同的碳氫化合物，使地球放出了很多的自由氧分子或氧氣。在這個(gè)過(guò)程當中，經(jīng)歷了大概25億年。25億年以后，地球的碳氧平衡主要是靠光和作用來(lái)維持平衡，但以前是電合作用，包括我們石油的形成也跟這個(gè)有關(guān)。這種電合作用，我們很可能重新實(shí)現，來(lái)解決二氧化碳的問(wèn)題。我的團隊的博士生、碩士生做了一些電合作用的實(shí)驗，做了一些小的反應器，這些反應器已經(jīng)合成了很多的東西，當然有一種東西是明顯對我們現在有利，就是它們能夠在負電場(chǎng)里面形成乙醇。我們主要用放電的金屬，放出的電子，這些電子通過(guò)不同的金屬表面會(huì )有不同的電子放出來(lái)。不同的電子如果用鋼針、金針?lè )懦龅碾娮幽芰渴遣灰粯拥?。在一定的電能條件下形成的負電場(chǎng)，最后可以輕易的形成乙醇。它的機理大概是這么一個(gè)化學(xué)過(guò)程，中間經(jīng)過(guò)了很簡(jiǎn)單的二氧化碳分解，形成一氧化碳，水蒸氣變換生成氫氣，形成乙醇。乙醇大量的供應，在全世界仍然是個(gè)大問(wèn)題，在美國是靠玉米來(lái)生產(chǎn)，4500萬(wàn)噸，中國現在乙醇的產(chǎn)量是250萬(wàn)噸，也是用糧食。我們現在提出的方案就可以用二氧化碳的廢氣來(lái)合成乙醇。2000萬(wàn)噸的二氧化碳可以合成1000萬(wàn)噸的乙醇。

乙醇可以做什么呢？未來(lái)可以做氫燃料電池車(chē)，日產(chǎn)汽車(chē)做了模型示范車(chē)，是用乙醇來(lái)進(jìn)行分解產(chǎn)氫，乙醇作為儲氫的辦法。車(chē)上裝的是乙醇和水，乙醇會(huì )分解，分解完了以后產(chǎn)生合成氣，經(jīng)過(guò)一個(gè)固體氧化燃料電池發(fā)電。他們的試運行，加一次燃料可以行駛600公里以上。

我們已經(jīng)做了好幾個(gè)系統，用不同的結構做了不同的反應器來(lái)合成乙醇，還可以合成各種各樣的碳氫化合物。我們已經(jīng)合成出各種各樣的碳氫化合物，這種直流的負電場(chǎng)反應器耗電很少，測試顯示，生產(chǎn)每公斤有機燃料耗電一度電左右，不超過(guò)4度電?，F在這個(gè)小的20升單電場(chǎng)反應器每年產(chǎn)能是一噸有機原料。我們要用這個(gè)技術(shù)，這個(gè)機理，合成出燃料達到二氧化碳的資源化。我們這是一個(gè)例子，包括有碳7、碳8、和碳16成份。庚烷是汽油的主要成分，16烷是柴油的成分?，F在我們能夠合成出不同的有機混合物，包括丙烷、庚烷、甲基環(huán)己烷、甲基苯甲醛、甲基苯甲醇、甲基十四烷和16烷等等這些不同的產(chǎn)品。這樣的反應器實(shí)際上是一個(gè)小的電子-氣體反應器，相當于一個(gè)小電容器，里面是各家各戶(hù)常用的負離子發(fā)生器?？梢院?jiǎn)單的把一個(gè)一個(gè)的電場(chǎng)連接在一起，串聯(lián)起來(lái)。我們現在演示的是一個(gè)單電場(chǎng)反應器。我們還有兩個(gè)電場(chǎng)，12個(gè)電場(chǎng)反應器。這些電場(chǎng)連接起來(lái)以后，就可以把一定流量的二氧化碳全部都處理掉，最后把它合成成燃油和有機物。西北大學(xué)的學(xué)生們也合成出尿素，就是用二氧化碳加上氨氣生產(chǎn)尿素，都是常溫常壓下進(jìn)行的。

未來(lái)它可以把這樣的東西，這樣的反應器，處理煙道器排放氣，加上水蒸氣，就是和蒸汽鍋爐結合起來(lái)，可把二氧化碳變成燃料。還可以用這種技術(shù)，處理煤層氣、頁(yè)巖氣、沼氣，都可以把它們變成液體燃料。所有的這些反應器都是在常溫常壓操作，非常簡(jiǎn)單，非常容易放大，而且里面沒(méi)有一點(diǎn)催化劑。

它的優(yōu)勢是很明顯的。它放大容易，工藝簡(jiǎn)單，不需要任何的貴金屬催化劑，不同的反應器結構可以合成出不同的燃料組合，很容易分離。比如，400萬(wàn)噸煤制油過(guò)程可能產(chǎn)生大約4000萬(wàn)噸的二氧化碳，排放是非常大的，就是說(shuō)煤制油產(chǎn)生的二氧化碳非常多。如果把這些二氧化碳在這個(gè)過(guò)程中進(jìn)行處理，用電也不多，能把它變成碳氫化合物，最后二氧化碳的問(wèn)題就能解決。這樣的話(huà)，我們整個(gè)過(guò)程，用這種技術(shù)，能夠合成乙醇，能夠用于氫燃料電池車(chē)，也可以把二氧化碳變成可以利用的有機原料，不管是燃油還是用于塑料的原料。最后，使用這樣的過(guò)程技術(shù)，我們也可以解決電力的儲能，所有的電廠(chǎng)也可以把它不用電的時(shí)候或低谷電期間用它處理二氧化碳。如果這樣處理二氧化碳，電能就被碳氫化合物作為化學(xué)能儲存起來(lái)了。這些碳氫化合物都是可以用的，又可以變成燃料，變成能源，這樣電廠(chǎng)的電能就被儲存起來(lái)，這個(gè)技術(shù)推廣起來(lái)，將來(lái)可以為可持續的發(fā)展開(kāi)辟一條光明的道路。謝謝大家！