出品：科普中国
制作：鹤仙
监制：中国科学院计算机网络信息中心
“惟江上之清风，与山间之明月，耳得之而为声，目遇之而成色，取之无尽，用之不竭。是造物者之无尽藏也”。说出这句话的苏轼前辈尽管很有洞察力，但他做梦也想不到清风不仅能为“无米炊”，还能做“万金油”。
前不久，中国科学家在实验室中首次实现从空气中的二氧化碳到淀粉分子的全合成，为应对粮食危机和气候变化提供了一条很有前景的策略。
无独有偶，近日瑞士苏黎世联邦理工学院（德文：EidgenssischeTechnischeHochschuleZürich，简称ETH）的科研团队设计了一套利用阳光和空气直接生产液态烃或甲醇燃料的装置，为吸收和利用二氧化碳提供了又一条光明道路。
这项成果目前已发表在顶级学术期刊Nature上。据报道这种装置在日常条件下运行，能在一天7小时的工作时间内生产32毫升甲醇。听起来是不是很神奇呢，接下来就让我们一探究竟吧。
图片来源：Nature
从空气到燃料的奥秘：
位于苏黎世联邦理工学院机器实验室大楼楼顶的这套金光闪闪的实验设备，就是今天故事的主角。看外表颜值不凡，简约大气，还打着一把太阳伞，很有格调的样子。它的内心是否像表面这么精简呢？看起来并不是，而是有点复杂。
实验装置工艺流程图（图片来源：Nature）
但大道至简，真理往往是简单的。为了让大家更清晰快速地了解其工作原理，这里提供一张该装置生产空气燃料的简易流程图供参考：
我们都知道，自然界有一条重要的定律，那就是质量守恒。物质在化学反应过程中原子种类不变，数目不增不减，只是发生重新结合，从一种连接方式转化为另外一种连接方式，就像一个班级调换座位后重新划分小组一样，打乱又重组，但班里的人没有变。
如果我们想要得到甲醇或其他液态烃类燃料，那么制备它们的原料也应要含有同样的元素，即——碳、氢、氧。空气属于混合物，里面含有氮气，氧气，稀有气体，二氧化碳以及其他物质。其中二氧化碳的体积分数约为0.04%，水蒸气和其他杂质约占0.%，含量较为可观且含有想要的元素，这就为液体燃料的生产提供了可能。经由空气捕获装置收集和纯化，便可以得到较为纯净的二氧化碳（纯度98%）和水（污染物低于0.2ppm，ppm意为百万分之几），那接下来的任务就是把二氧化碳和水转化为燃料。
直接转化比较困难，一种权宜之计就是先把它们制备成合成气，即氢气和一氧化碳，这是制备许多化工原料的原料气。这套实验装置采用的方法是利用太阳能，驱动二氧化碳和水蒸气与三氧化二铈发生氧化还原反应，二氧化碳和水分别被还原为一氧化碳和氢气，而三氧化二铈被氧化为二氧化铈。氧化产物二氧化铈还可以通过吸热热还原为氧气和三氧化二铈，便于再次循环利用。合成气一氧化碳和氢气接下来会进入反应设备生成目的产物液态烃或甲醇，也就是空气燃料。
实际运行的效果：
这一条以空气为原料制备液态燃料的路线听起来合理，那实际是否行得通呢？首先我们看下产量。研究人员发现，该装置在正常工作条件下一天运行7小时，通过连续的17次氧化还原循环，共获得96.2升的合成气，这些合成气可在装置中进一步加工成甲醇。
装置测得的合成气单程摩尔转化率为27%，产生的甲醇纯度为65%。
剩余的未转化的合成气经过6次循环转化后，最终总摩尔转化率为85%。一天运行7小时，得到的纯甲醇量为32毫升，这个产量的燃烧热和一盏功率为9瓦的日光灯照明15小时消耗的电量差不多。当然这种设备并不是只能生产甲醇，通过选择具体的合成工艺，也可以定制其他烃类燃料。
研究者设想，如果该项成果投入商业应用，将会创造巨大的收益。例如，商业规模的太阳能燃料工厂可以使用10个定日镜场，假设每个定日镜场收集兆瓦的太阳辐射热能，系统的总体效率η为10%，那么每天就可以生产升煤油，足够为一架载有名乘客的空中客车A提供从伦敦到纽约往返的燃料。
图片来源：科普中国
那么这些燃料的质量如何呢？我们和常规的航空燃料对比一下。目前生产航空煤油的常规方式是重油加氢裂化，产物中不可避免会带有空气污染物，比如含硫化合物，含氮化合物，稠环芳烃，重金属等。而燃烧测试表明，通过该太阳能氧化还原装置生产出来的喷气燃料有害物质排放则显著减少，这是一个独特的优势。另外，石油属于不可再生能源，而空气可以源源不断地获取，从长远来看也更有前景。
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