【新闻】移民火星不可或缺——液态阳光 | 杨培东

杨培东 | 加州大学伯克利分校教授

 

 

今天我想讲的一个反应是 :二氧化碳+水+ 阳光 = 碳水化合物+ 氧气
碳水化合物是什么?它是人类所需要的一些重要的化学品。从能量转化和存储的角度看,就是把太阳能转化成化学能,储存在化学品当中——这对科技发展具有重要意义。

 

能源与环境危机

为什么要把二氧化碳用太阳能转化成有用的化学品?过去一百多年来,在人类工业化进程当中,人类利用了大量能源,而能源的主要来源是化石燃料。现在全人类在地球上的能量总消耗大约15太瓦,1太瓦是10的12次方瓦特,80%-90%都源于化石燃料。这就涉及到化工厂、发电厂等一系列环境问题,通常所说的就是二氧化碳排放问题。

全球能量总消耗

 

在过去一百年当中,二氧化碳的浓度一直在上升,目前二氧化碳的浓度是410PPM(PPM是百万分率)。这个浓度从数量来说很小,但它对全人类的生存环境有重大影响。二氧化碳浓度在增加,涉及到全球暖化,海平面上升,环境污染、水污染、空气污染等一系列的问题,这意味着在接下来的几十年或者一百年当中,人类生存的环境有重大转折

 

现在科学界在全球暖化的问题上有两种预期。一个预期是,在本世纪末——也就是2100年的时候,全球气候温度的提高控制在2℃左右,那么到时陆家嘴还是陆家嘴。但如果还像过去一百年那样,大量利用化学能源,是达不到这个目标的,而是会导致另外一个预期的情形——在2100年的时候全球平均温度提高4℃,海平面上升引起的洪水,会淹没一部分沿海城市,上海、纽约、旧金山、伦敦,都难以幸免。

 

可再生能源

怎样能够从根本上改变全人类生存的能源结构?人类不可能永远依赖化石燃料,应该更注重可再生能源的利用。中国的经济发展非常迅速,所用的能量——电力一直在增加,接下来印度也会是这样,非洲也会是这样。所以全人类对能源的要求非常多,如果一直依赖于化石燃料,二氧化碳排放的问题只会越来越糟糕。从全社会角度来看,各个方面都必须要利用可再生能源。

可再生能源一般包括太阳能,风能,水能等。太阳能电池是生活中经常遇到的,是太阳能到电能的转化。要在太瓦级(10的12次方瓦特)的层面上解决能源转化与存储问题是一个非常困难的事情。从长远角度来看,2016年中国能源架构大部分都是煤,煤的消费比重占了60%,剩下的是核能、水能、风能,太阳能消费比重仅是5%。虽然太阳能电池技术发明了有六七十年,但是它对整个能源工业界的渗透至今还是比较微小。到21世纪40年代,可以预见太阳能消费比重将加倍。在国家政策引导下,随着经济的发展,大规模利用水能、太阳能、风能将成为可能。这样可以在2040年把煤的比重降低到30%,剩下的由太阳能、风能和水能补充。所以要想从根本上解决全球变暖的问题,就要大规模利用这些可再生能源

怎样真正在太瓦级层面应用可再生能源?从太阳能转化的角度来看,用太阳能电池转化成电能,必须要有一个庞大的电池系统储存这些电能。在加州太阳能相当普及,但是存储上面有问题,太阳能白天发电,但电网不能支撑,晚上用电有的时候反而没电,非常不稳定。很多时候会把一些免费的太阳能向周边的地区输送,亚利桑那州在夏天会收到从加州的太阳能电池发的电。这是一个还需要从电池方面来解决太瓦级储存需求的例子

 

光合作用的原理

能不能有这么一个技术,从太阳能转化成化学能呢?因为化学能的能量密度非常高,正因如此,才有利于大家开车出行等能量要求。今天就给大家讲这样一个技术——人工光合作用。

人工光合作用做什么事情呢?现在人们开车、坐飞机基本上都是用油,在这个过程当中能量被利用起来,排放二氧化碳和水到大气中。我们希望人工光合作用做的事情是把二氧化碳和水,再转化成汽油以及各种各样的化学品。二氧化碳是全球暖化最重要的物质,碳在整个过程当中是100%被循环,有这么一个系统会非常有用。

而且,化学燃料从根本上来说,都是通过光合作用存储起来的,能量最终的来源就是太阳,只不过它在过去几十万年存储在地球的表面。所以这应该是一个相对来说比较好的、终极的碳平衡方案。同时能够解决能源问题、包括二氧化碳排放的环境问题。

人工光合作用

那么怎么实现人工光合作用?这涉及到能量转化存储以及催化。这个反应从热力学角度来看是可行的,因为绿叶绿色植物每天都在做这个事情,只不过最终的碳化学品是不一样的。绿叶光合作用每天把二氧化碳和水变成氧气,碳变成了碳水化合物,而且能够利用自然界中仅400PPM浓度的二氧化碳来做这个化学反应,它的最终效率(太阳能到化学能)和人工光合作用比不是太高,但完全能够满足它生存的需要。

在实验室学习自然界的光合作用,首先要理解它的原理。在绿色植物里面,很复杂的光合作用过程可以分成四个步骤。

光合作用原理

前面两个步骤涉及到光系统Ⅰ和Ⅱ,两个都是有机高分子的集成体。光系统Ⅰ和Ⅱ捕获太阳双光子,从紫外到近红外,可以一直捕捉到波长750nm的光,整个太阳能光谱它都能够捕捉。捕获双光子之后在光合作用中产生电子,之后在催化剂的表面会产生化学反应,形成新的化学键,新的化学键往往能量密度很高。

所以除了两个光系统对双光子的吸收以外(光源捕获),它还与两个催化剂结合在一起。上图中左右两边的反应,也就是我们通常所说的半反应。左边的半反应催化剂的作用是“水氧化”,也是把水分子活化以后,分解变成氧气,这里涉及到生物催化剂。右边的半反应是“二氧化碳还原”,就是把环境当中的二氧化碳转化成碳水化合物,这里涉及到另外一个催化剂,里面有一些金属有机的活化中心。伯克利的化学家理清了绿叶里面“二氧化碳还原”的机理,并因此获得了诺贝尔奖。

把自然界光合作用的机理理清之后,就可以在实验室当中进行模拟。但自然界的光合作用,从太阳能到化学能的存储效率,一般来说只有0.5%,甘蔗能够做到0.5到5个百分点。所以在实验室当中不仅要学习自然界,而且要比它更稳定,效率还要更高。因为如果只有0.5%的存储效率,作为技术来说不可能被推广——因为人类所需要的能源是太瓦级的。

 

实现人工模拟光合作用

那么怎么来模拟光合作用?这个是通常所说的光化学二极管。

光化学二极管

光学二极管模拟的是一个半导体跟催化剂集成的系统,在光化学二极管里面,有两种半导体,一个是P型,一个是N型。这两种半导体通常可以用不同的半导体,不同的半导体有不同的能带,能够吸收不同的光。所以这两种半导体的功能等效为光系统Ⅰ和Ⅱ,也是双光子吸收。两个光子进去,把P型的半导体和N型的半导体活化,活化以后在P型和N型半导体的表面放一些催化剂,刚才在绿叶里面有两个半反应,有两类催化剂,一个是氧化,一个是还原,在实验室当中也是一样的。

P型半导体表面所做的反应就是二氧化碳的还原半反应,二氧化碳还原可以产生各种各样的产物,也包括绿叶里面的碳水化合物。另外一边的半反应就是水氧化,也就是绿叶里面另外一个半反应——水氧化变成氧气。所以这么一个光化学二极管,在实验室里面通过两类催化剂和两类半导体的集成之后,最终的功能是一样的。双光子吸收加上两个半反应,最终的全反应就是二氧化碳、水、加上太阳能,双光子,变成二氧化碳还原的产物——化学品和氧气。

所以,光学二极管和绿叶里面的光合作用是类似的。当然,大家知道绿叶里面没有硅、锗、氮化镓等这些半导体,都是通过有机的光吸收体和金属有机的催化剂来实现的。这属于从自然界中学习,然后到实验室里面把它抽象设计出来。

在2003年的时候,(美国)能源部在伯克利国家实验室启动了“太阳神计划”。它的目的就是向自然界学习,利用半导体与催化剂,把二氧化碳转化成有用的化学品。同时还要进行平衡,就是要做到水氧化的过程。下图可以看到一些棒状的东西,设想当中是一些高比表面积(指单位重量的物体的表面积大小。通常比表面积越大,说明物体的细度越细)的半导体,一个是P型,一个是N型。在高比表面积半导体上面负载两类催化剂,一类是二氧化碳还原催化剂,一类是水氧化催化剂。这里一直有两个半反应,还有两个光吸收体。整个系统能够做出来,就能够完成前面所需要的全反应。这只是个蓝本,真正把催化剂跟吸收体集成在一起——我们用了十来年的时间,才做出第一个集成体系。

“太阳神计划”蓝本

下图是比较普及的光阴极做二氧化碳还原反应的体系,这是一些硅的纳米导线阵列,可以用它来做光吸收体,同时它是一个高比表面积的半导体,可以在上面负载一个催化剂。

Si的纳米导线阵列

下图是一张电子显微镜拍的照片,这是一个三维的纳米导线阵列,纳米基本上是头发丝的一千到一万分之一的尺度。三维的高比表面积空间,可以在表面负载催化剂,生物催化剂也好,实验室合成催化剂也好,都可以用来做化学反应。

三维纳米导线阵列电镜照片

在2014年的时候,我们实验室第一次把整个系统集成在一个体系当中。这里面(见下图)有两个半导体、两类催化剂。一个半导体做水氧化变成氧气,另外一个引入生物催化剂,把二氧化碳变成了醋酸。这里面全反应是什么样的?就是二氧化碳加上水加上太阳能,变成氧气和醋酸,这是全反应。醋酸是非常简单、但又非常重要的化学中间体。一旦有了醋酸以后,可以利用现在已有的工业技术,转化成其他各种各样的化学品,像汽油、高分子、药的前驱体等。这是利用自然界中光合作用的全反应的原理学习,第一次在实验室的模拟材料当中体现出来的。

第一个人工光合作用系统

在2014年的时候,太阳能到化学能转化效率大概跟绿叶的转化效率差不多,是0.5个百分点。经过过去四五年时间,现在基本能够做到8%到10%,现在能量转化效率比自然界的光合作用要高得多,虽然选择性上面可能跟自然界不能比

简单介绍一下这个体系(下图)。二氧化碳、太阳能加上水,变成醋酸,然后再把醋酸变成丁醇(下图第一个反应)。丁醇在人工光合作用研究领域当中,通常被认为是第一个做汽油的目标。因为四个碳的醇,它的蒸气压比较小,可以作为液体在管道里面输送。所以作为一个能源的载体,是汽油的代替品。

醋酸作为中间体转换为各种化学品

 

这样可以把醋酸变成高分子(上图第二个反应),高分子是可以做生物降解塑料的。也可以用醋酸作为中间体,把它变成这些手性分子(上图第三个反应),手性分子是在实验室里合成青蒿素的中间体。青蒿素是中国第一个发明的,中国科学家也因为这个发明获得了诺贝尔奖。所以整个过程当中,从燃料到高分子塑料到药品,可以看到这里面都是碳。塑料里面当然也是很多碳,手性分子里面也都是碳,这些碳最终都是从二氧化碳来的。通过人工光合作用,从二氧化碳转化成这些有用的化学品与高分子。

能源工业、化学工业、制药工业,所有这些化学品,其中的碳从哪里来?现有的工业都是从地底下挖出来的。人工光合作用体系能够从根本上解决这个问题,现在所有这些合成出来的新东西,里面的碳是从大气当中的二氧化碳来的,也就从根本上解决了二氧化碳排放问题和循环问题。真正能够用太阳能,把二氧化碳固定下来,把它转化成有用的化学品,包括化学燃料,包括药品,包括人类生存所需要的高分子材料

回归到一开始,在2003年启动太阳神计划最初的愿景,就是找到这样一个合成体系,把太阳能转化为化学能然后高效存储。能够用这么一个体系利用不同的生物催化剂,把二氧化碳转化成燃料、药品和商业化学品。

 

移民火星

2003年启动太阳神计划的时候,我们的愿景解决全球暖化的问题,把地球表面上的410PPM的二氧化碳重新利用。在这个背景当中,全世界范围内有这样一个梦想——外太空探索。伊隆·马斯克一直说要做火星移民,一直在研发新型火箭推动系统,要把人类放到火星上面去。这里面有两个重大问题,一个是怎么上去?SpaceX和Blue Origin这两个公司一直在研究如何高效的把人类送到火星。另外一个问题是人类到了外太空状态怎么生存下来?因为人类需要能源、需要化学品、需要药品、需要肥料。

奥巴马总统在美国被认为是在美国历届总统当中对科学的支持最好的一任,他推动基础科学。所以2016年他在卸任的时候,在白宫召开科学会议,向大众介绍在他任内的一些重大的科学进展,我有幸被邀请参加这个会议,在这个会议中介绍了人工光合作用。在这次会议当中,奥巴马宣布美国要在三十年内第一次把人送到火星表面上去。

2017年,美国宇航局知道了我们这么一个半导体和生物体系,能够真正做人工光合作用,于是在伯克利(加州大学伯克利分校,UC Berkeley)第一次成立了空间技术研究所,来解决人类在外太空、深太空所需要的能源和化学品的问题。这又会面临什么科学问题呢?这样一个人工光合作用的化学反应,在地球上可行,但是在外太空会是什么样?

火星上的光合中心

这涉及到环境问题。在地球上面,大部分是氮气和氧气,二氧化碳是0.04%——400PPM,人工光合作用就是为了化解二氧化碳的排放和循环问题。而火星表面的气体成分,96%是二氧化碳,它有一点点的氮气,很少很少的氧气,它的光照强度是地球上面的60%,这也是为什么人工光合体系的结果一出来,宇航局对我们的研究非常感兴趣。

这个化学反应能不能用在这儿?从化学的角度来看,是肯定可以的。在地球上,二氧化碳浓度是0.04%,暂时还不能在这种情况下用,这个浓度太稀了。现在能够做的体系,只能在纯的二氧化碳下,需要把大气当中的二氧化碳富集,才能利用。但是我们的系统放到火星的环境当中,是完全可以工作的,因为它的大气中96%都是二氧化碳,不需要再把它富集了。人类要生存,首先需要氧气,火星上大量高浓度的二氧化碳加上水(火星表面下存大量冰),再加上太阳能,能够解决氧气问题。其次,还可以把二氧化碳转化成一系列有用的东西。所以从化学的角度,这个设想应该是可行的。

很有意思的是,宇航局2017年在伯克利成立了这么一个科研中心,来试探人工光合作用在火星表面将来的应用,而火星表面二氧化碳的成分含量是谁发现的呢?是伯克利另外一个物理化学家George Pimentel,在1969年的时候发现的。1969年,大家记得最清楚的事件是美国第一次登月,在五十年前。五十年前美国也第一次把伯克利制造的红外探测仪放到了Mariner 6卫星上,这个航天探测器在火星表面环绕,通过探测火星表面的红外光谱,证明火星表面大部分都是二氧化碳。五十年前,伯克利的物理化学家发现火星的二氧化碳含量,五十年后又在讲怎么利用火星表面的二氧化碳,真正让世界第一批宇航人员到火星表面并且生存下来。二氧化碳、水和太阳能,是人类在火星表面一开始所能用的物质。

我们来粗略计算一下。比如将来去火星的第一批宇航员有6个或12个人,想像我们的系统能做到一个立方米(1000L)。以现在的的转化效率来说,能够做到350g/day/1000L,再转化到丁醇是100g/day/1000L。我们需要考虑宇航员每天、每个月、每年需要多少燃料、化学品和药品,然后进一步把这个系统优化,继续增加产量。利用尽量小的体积,来生产尽可能多的燃料、化学品加上药品,这是我们接下来要做的一个非常有希望成功的事情。

最后还有一个问题,刚才一直在说利用二氧化碳和水变成一系列的东西,但是人类生存还需要肥料来种植植物,那就有固氮的问题。这个是Matt Damon在电影《火星救援》里在施肥,看过这个电影的大家知道他是没有肥料的,他只能利用自己的排泄物做肥料。但是我们希望能够利用氮气、太阳能转化成肥料,和人工光合作用是同样的一个过程——利用一些生物的催化剂,集成到高比表面积的半导体上面。这也是我们接下来要做的事情。

所以作为一个愿景,2003年开始启动太阳能计划。这十几年中间,从在图纸上画出一个高比表面积的半导体,到集成一个人工光合作用的体系,再到第一次在实验室当中把二氧化碳、水转化成所需要的化学品,这些就是我们一步步完成的工作。我今天就讲到这里,谢谢大家!

(文中所有图片来自杨培东教授演讲PPT)

嘉宾:杨培东、郑南峰、陈立桅

主持人:包信和

 

提问:几位教授好,我是催化方向的研究生,我对刚才杨培东先生讲到的液态阳光非常感兴趣。我想问您合成的催化材料,它在地球甚至在火星上,如果想要大规模部署,是不是仍然存在壁垒?

杨培东:这个主要有两点,我们现在在高比表面半导体用的催化剂有两个。一个是生物催化剂,是一个全细胞的细菌,就是从自然界当中拿回来的细菌,这个是很容易培养的,在我们实验室,几十个一批小规模的在做,这个很容易,没有什么壁垒。另外一个半导体是我们实验室自己合成的一些金属催化剂,这部分从选择性上面,还需要进一步提高,跟生物催化剂还不能比,而且它到大规模的应用,可能距离稍微远一点,尤其是在二氧化碳转化上面。所以要大规模应用,应该是先从高比表面的半导体和生物催化剂的一个界面来开始,应该说完全可以做商业化的讨论。

包信和:我刚才也有一点没有听懂,你说从二氧化碳进入光的催化变成甲酸,光的效率有百分之八到九,这是什么意思?

杨培东:我们通常所说的效率是太阳能转化成化学能。因为一般来说,比如说太阳能电池,是从太阳能到电能的转化,基本上硅电池做到20%多。我们通常所说的人工光合作用的全反应,是二氧化碳、水、太阳能转化成化学品加上氧气,能量转化效率就是多少太阳能进去,有多少化学品出来,计算化学能,就可以计算转化效率。

包信和:这一点是肯定的(百分之)八到九?

杨培东:对,这一点不仅仅是我们实验室,哈佛的另外一个教授基本也能够做到。就是能够做二氧化碳到甲醇、天然气,能够做到八个百分点。好像哈佛的一个实验室,能够做二氧化碳转化成丙醇,能够达到8%-10%的样子。

包信和:这里面有牺牲剂吗?(注:牺牲剂,是通过自身损耗来减少其他化学剂损耗的廉价化学剂)

杨培东:我所说的完全是全反应,没有牺牲剂。因为的确很多实验室做半反应都会有牺牲剂,用牺牲剂的话基本不能计算转化效率。

包信和:这个颠覆了我的一些观点,我想8%-9%(的转化效率)应该有一些商业化的可能性。

杨培东:生物催化剂我们是在讨论商业化。

提问:请问杨院士,人类是否已经透彻了解了自然界中光合作用的生物机理?另外,光合作用过程中的叶绿素,对于我们基于半导体模拟光合作用有什么指导意义?

杨培东:我们在很多年前,一开始考虑要怎么设计人工光合作用体系时,完全是跟大自然学的。自然界中绿叶里的光合作用,在过去几十年当中已经摸的比较透彻。我刚才所说的光系统Ⅰ和Ⅱ的双光子吸收,加上两个氧化还原的半反应,什么样的活化中心,这里面都已经摸的很清楚。我们所做的就是学习绿叶植物光合作用,设计高比表面积的半导体,跟两类催化剂,这两类催化剂要到实验室里去摸索。所以应该说,我们现在正在利用我们对自然界的光合作用的理解,来设计人工光合作用体系,这里面还有很多这样那样的问题,我们只走了第一步,证明了这是可行的,而且效率还不错。刚才那个同学所说的商业化,其实有很多这样那样的问题。第一,实验要扩大化,第二,稳定性要增加,第三,选择性要增加,这里面有一系列问题需要解决,所以我们只不过是在学习自然界光合作用中走了第一步。

提问:您刚才提到的火星计划让我们非常神往,人工光合作用的转化效率达到了8%到9%,用到了生物催化剂,是细菌,那是不是要考虑细菌能否在火星上面存活的问题?

杨培东:在整个宇航局中心里面我们是一个团队,我们负责在一个可运行的条件下做人工光合作用。首先,我们知道火星表面的辐射很强,将来人类要在那里生存,辐射要屏蔽,这是一个事情。第二,如果部分不能屏蔽,还要考虑辐射所引起的基因转变。比如说有一个细菌这次产生的是乙酸,一旦它经过辐射以后基因转换了,可能就产生了别的东西,这是接下来肯定要考虑的问题。因为从转换效率跟选择性来说,现在人工光合体系当中的确是生物催化剂走在前面,所以这是先会被试验的一个体系。

提问:我想向郑老师提一个问题,您刚才说的工作是个非常漂亮的工作,一般卤素在还原反应中非常容易脱掉,这在有机化学中是一个比较难的问题。如果把您讲的这个反应引入到有机化学实验室,或者引入药物化学来做,这是一件非常有意义的事情。但我有一点不明确,它的反应条件怎么样?

郑南峰:反应条件都是非常温和的,一般是在一个大气压下,有些甚至是在常温下,因为我们已经实现了工业化。但是我们可能没有关注到药物领域,我们看看能不能让这些催化剂进入到一些试剂公司,让大家都可以用。因为目前我们关注的都是大规模的工业运用,一般都是年产上万吨的公司,我们觉得才比较有价值。当然如果对药物合成有帮助的话,我们也非常高兴看到,事实上我觉得这是一个商业运作的模式,是很好的一个建议,我回去会推推我们团队,让他们往这方面去推,这样的话做有机合成的人也能够用得上。

提问:从我们普通老百姓的电瓶车,到特斯拉的电池用的都是锂电池,我想了解下锂电池的环保问题。

陈立桅:锂电池是可重复使用的充电电池,充电电池本身的起源就是想让资源不要只用一次就浪费掉,基础的理念就是希望能够更加高效,循环利用材料和电池。

现在锂电池的技术,一方面在制造过程当中已经越来越绿色环保,在使用过程当中,电池在经过很多次循环以后,它的性能会有所衰减。比如,电动汽车对电池性能的要求比较高,当它衰减到一定程度,不能满足需求的时候,可以把它替换下来,用在对电池性能要求相对不那么高的场合,比如电网储能,这种方式叫梯次利用。

最终当它的性能衰减到不能使用的时候,还有材料回收的问题。如果不回收,丢在环境里面,它含有一些过渡金属,含有一些重金属,对环境有污染,同时也是对材料的浪费。这方面的技术也是未来电池技术在绿色环保方面的一个重要方向,我不展开细讲,感兴趣的话,我们可以再深入交流。

提问:如果把催化剂放在水里,会不会发生爆炸?

包信和:你正好问到我的专业,我是做催化剂的。催化剂不是一个特定的东西,什么叫催化剂?是本来某个化学反应慢一点,加上这个东西以后它可能就快一点,这个东西就叫催化剂。比如,钠也是催化剂,钠会把水分解,把钠放水里面,马上就会炸起来。铁粉也是催化剂,很细的铁粉在空气中马上就烧起来。因为铁的活性特别强,跟氧反应以后产生氧化铁,氧化铁会释放热量,假如放纸里或桌子上面马上就会烧起来,反应特别快。所以你讲的很对,有些催化剂放在水里,是会炸起来的。

郑南峰:小朋友这个问题非常好,如果把一个催化剂扔到水里面就能够爆炸,直接把水变成氢气和氧气(来制造氢气),是非常好的,但水分解是需要能量的。像刚才包老师讲的钠,钠本身就有很多化学能,所以它就爆了,但是如果催化剂本身只是催化,没有能量输入的话,是没有办法把水变成氢气和氧气的,因为化学键的断裂需要能量。这时,你如果用激光照一下,很有可能给它创造条件,它就有可能爆了,这完全有可能。

提问:三位老师好,我是复旦的一个博士生。现在大家为了解决安全问题,都在做全固态电池,还有氢氧燃料电池。我想问一下这两种电池,哪一种会更快实现应用?

陈立桅:预测未来总是很危险,但是在电池领域里面,未来有两个研究方向。一个是希望能够得到更高的能量密度,第二是希望获得更高的安全性。如果能够很好地实现全固态锂电池,它能够同时解决这两个问题,而且本身这两个问题有点像跷跷板的两头,能量密度高的时候,安全性通常会比较差,所以从这个角度来讲,大家对全固态电池给予厚望,它很有可能是未来一个有突破性的方向。但目前在技术上还有很多问题,包括金属锂本身的安全性,包括怎么让离子在固态的介质里面跑得跟在液体里面一样快。以现在的技术进展来看,比较乐观的技术人员可能会预测,未来五到十年有可能看到全固态电池真正在市场上的应用。

至于氢氧燃料电池,这个技术也是存在很久了,在一些特定的场合实际上已经有应用,比如在宇宙的探索上。但是很多时候做能源的应用,有一个成本的考虑,大规模地在民用市场上的应用,这方面可能培东有很多经验。

杨培东:在汽车方面,丰田Miral汽车已经在用氢氧燃料电池,商业化的氢氧燃料电池已经在推广,但那个技术很老,是在几十年前发明的,一直存在成本的问题。但作为国家战略,日本一直在推广氢能源汽车,丰田Miral 是第一次大规模把氢燃料电池用起来的,很多氢能源汽车在日本都已经在开了。

郑南峰:我们国家今年在新能源汽车补贴方面的政策已经发生变化,逐步从锂电池汽车往氢能源汽车转变了,这意味着我们可能不是那么排斥燃料电池,也可能是因为看到了这里面的潜力。但这的确对研究催化剂的人提出了很大的挑战,比如它的两个反应电极用的是铂金来作为催化剂,但是全世界的铂金就只有一个游泳池那么多,所以它的大规模应用很难,我们必须找到相应的替代的催化剂,这是我们需要努力的方向。

包信和:我也稍微补充两句,自然界并不顺着人的想法,并不是你想要的最好的都在这里,有好的,必定有负面的作用在。我们通过科学研究把好的发挥出来,把负面的避免掉。比如氢氧燃料电池,自然界当中是没有氢气的,氢气从哪里来?现在看来就是从水里,通过电解水而来。那么电从哪里来?煤。那么又会产生二氧化碳,这是一个问题。

第二个问题,现在充电桩已经开始有了,如果把路上全变成加氢站,现在还没有制造这么多,而且氢气还有危险。我们中国装氢气的瓶子,大概是150个大气压。一般来说国外大概装300个大气压,现在日本人做的瓶子装700多个大气压,比我们多四五倍。瓶子里氢气装的越多,它就走的越远。南峰之前也讲到,要做氢能源汽车,首先要做氢氧燃料电池,这个里面是用贵金属铂金来做催化剂的,现在很多科学家说我研究新型催化剂替代铂金,但是发现它的寿命、性能就没有铂金那么好。所以我们,特别是年轻人要知道,没有哪一样东西,都是顺着我的想法走,它有好的,一定也有坏的。

提问:请问杨教授,即便二氧化碳在火星上能转化成一部分氧气,但是火星上存在天然氮元素缺乏的问题,会不会给我们生活带来一些阻碍或者不便?

杨培东:这个是火星上氮的收集和转化的问题,火星上氮气的成分是2%-3%,人类真正需要的总的肥料,只占大气成分中的少部分。但是最重要的事情,是怎么能够在科学上证明这是可行的,这是第一步。现在我们还做不到这一点。因为现在我们在地球上做的氮气转化,基本是在高温高压的状态来做,但在外太空,必须要在它的气候条件下来做,所以这是第一步,怎样把可行性做出来。

但是我们不用担心火星上面的氮气会被全部转化成肥料,以后没得用了。在地球上也好、外太空也好,将来很多体系会是一个循环体系,碳、氢、氧、氮都是循环的,地球上这么多年来完全是循环系统。地球从诞生到现在,所有的能源都是太阳能,包括现在地底下的东西,百分之百都是太阳能来的。

包信和:三位嘉宾也很辛苦,要不要通过这个报告给观众讲一句话?

杨培东:我觉得最终感受或者目的,就是需要整个社会都来理解现在我们地球所面临的能源和环境上的重大问题,作为科学工作者来说,我们要完成我们的任务,来解决这样的问题。但作为一个普通大众,作为政府来说,需要真正意识到这个问题,大力鼓励、支持解决这样的问题。

郑南峰:我想讲的就是无知无畏,不要因为科学问题困难就不去解决,而是在这个过程中能够比较清楚地知道问题所在,然后迎难而上。对于年轻人,特别是小朋友们,应该保持你们的好奇心,因为未来都是你们的。

陈立桅:这是我第一次参与这样的科普活动,过程很令人感慨。我们今天讲的是化学和材料,其实特别需要科普,因为很多朋友如果不是这个专业的话,会觉得化学化工非常危险可怕,有一种很负面的印象。实际上刚才郑老师的报告也都提到,杨培东老师的报告更是提到,大家可以看到化学、催化、能源对人类社会多么重要。所以我希望大家尤其是年轻人和小朋友,不要认为“化学”这两个字很可怕。它是一个普通的,我们可以去学习、可以去研究、可以去提高的一门科学。如果能够这样的话,我想我们的目的也就达到了。

包信和:感谢三位主讲嘉宾和今天到场的广大听众,我自己也发一个感慨。科学现在到这样一个程度,实际上跟公众要有很多的交流。不要把科学搞的很神秘,像今天讲的都是跟公众切身相关的事,而且要是把这个事情讲穿了,大家都能够理解是怎么一回事。所以我认为像墨子沙龙包括其他各种形式的科普都特别好,科学家要花时间来进行科普,要跟社会公众交流。通过这个交流过程,也能反馈一些问题到科学家这里来,听众通过这些交流以后,对科学也有比较好的认识。现在从国家的层面上来讲,科学普及包括科学传播,都是非常重要的事。我也利用这个机会感谢以潘建伟院士为代表的一批与墨子相关的科学家,在积极做推动的工作。这件事情,最终肯定是会有益于社会。

关于墨子沙龙

墨子沙龙是2016年潘建伟院士提倡,中国科学技术大学上海研究院主办的科普论坛。经费由中国科大新创校友基金会捐赠资助。沙龙的科普对象范围从对科学有浓厚兴趣的中学生到成年人,旨在通过科普讲坛、和科学家面对面的方式对他们进行专业的科学启蒙。以上海为中心向全国发散,通过讲座、视频、网络公开课、科普订阅号等多种方式开展科普活动。

墨子在战国时期创立了以几何学、物理学、光学为突出成就的一整套科学理论,是我们中国最早的科学家。《墨经》中有关于力、力系的平衡和杠杆、斜面等简单机械的论述;记载了关于小孔成象和平面镜、凹面镜、凸面镜成象的观察研究,首先提出了朴素的时间(“久”,即宙)和空间(“宇”)的概念。墨子沙龙以墨子命名就是希望传承中国古代科学家的科学精神,振兴中国现代科技,鼓励青少年走上科研探索之路。

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