夏亞沈：CO2資源化和燃料合成——綠色機會和未來

2018年1月12日，由中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、國際能源署（IEA）、聯(lián)合國項目事務署（UNOPS）指導，中國能源研究會分布式能源專業(yè)委員會、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未來能源大會”在北京隆重召開。美國HyCharEnergy公司創(chuàng)始人，海加控股集團公司總裁和首席科學家夏亞沈作了題為“CO₂資源化和燃料合成——綠色機會和未來”的演講。 

以下內容根據(jù)演講實錄整理摘編：

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

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

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

二氧化碳問題到底能不能解決？我們的觀點，或從開始研究這個課題的時候，我們就認為這個問題是可以解決的。原因在我們地球的早期，45億年左右，在地球形成的時候，地球冷卻成一個球體的時候，從幾千度冷卻到現(xiàn)在的平均溫度15度，經(jīng)歷過一個非常長的過程，當?shù)厍蛐纬晒腆w以后，有很多很多的火山爆發(fā)?？茖W界經(jīng)過多少年的研究，做了很多的模型，做了很多的地質調查，發(fā)現(xiàn)當時地球的二氧化碳可能有10個大氣壓，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，并沒有氧氣。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)革命的時候，大概是200個PPM，現(xiàn)在又上升到400個PPM。實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，最后變成一個目前的有氧氣的地球？我們認為，是由于當時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，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。在這個過程當中，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有關。這種電合作用，我們很可能重新實現(xiàn)，來解決二氧化碳的問題。我的團隊的博士生、碩士生做了一些電合作用的實驗，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(xiàn)在有利，就是它們能夠在負電場里面形成乙醇。我們主要用放電的金屬，放出的電子，這些電子通過不同的金屬表面會有不同的電子放出來。不同的電子如果用鋼針、金針放出的電子能量是不一樣的。在一定的電能條件下形成的負電場，最后可以輕易的形成乙醇。它的機理大概是這么一個化學過程，中間經(jīng)過了很簡單的二氧化碳分解，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，在全世界仍然是個大問題，在美國是靠玉米來生產(chǎn)，4500萬噸，中國現(xiàn)在乙醇的產(chǎn)量是250萬噸，也是用糧食。我們現(xiàn)在提出的方案就可以用二氧化碳的廢氣來合成乙醇。2000萬噸的二氧化碳可以合成1000萬噸的乙醇。

乙醇可以做什么呢？未來可以做氫燃料電池車，日產(chǎn)汽車做了模型示范車，是用乙醇來進行分解產(chǎn)氫，乙醇作為儲氫的辦法。車上裝的是乙醇和水，乙醇會分解，分解完了以后產(chǎn)生合成氣，經(jīng)過一個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)做了好幾個系統(tǒng)，用不同的結構做了不同的反應器來合成乙醇，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4度電?，F(xiàn)在這個小的20升單電場反應器每年產(chǎn)能是一噸有機原料。我們要用這個技術，這個機理，合成出燃料達到二氧化碳的資源化。我們這是一個例子，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(xiàn)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。這樣的反應器實際上是一個小的電子-氣體反應器，相當于一個小電容器，里面是各家各戶常用的負離子發(fā)生器?？梢院唵蔚陌岩粋€一個的電場連接在一起，串聯(lián)起來。我們現(xiàn)在演示的是一個單電場反應器。我們還有兩個電場，12個電場反應器。這些電場連接起來以后，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。西北大學的學生們也合成出尿素，就是用二氧化碳加上氨氣生產(chǎn)尿素，都是常溫常壓下進行的。

未來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，可把二氧化碳變成燃料。還可以用這種技術，處理煤層氣、頁巖氣、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，非常簡單，非常容易放大，而且里面沒有一點催化劑。

它的優(yōu)勢是很明顯的。它放大容易，工藝簡單，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，400萬噸煤制油過程可能產(chǎn)生大約4000萬噸的二氧化碳，排放是非常大的，就是說煤制油產(chǎn)生的二氧化碳非常多。如果把這些二氧化碳在這個過程中進行處理，用電也不多，能把它變成碳氫化合物，最后二氧化碳的問題就能解決。這樣的話，我們整個過程，用這種技術，能夠合成乙醇，能夠用于氫燃料電池車，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，使用這樣的過程技術，我們也可以解決電力的儲能，所有的電廠也可以把它不用電的時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能儲存起來了。這些碳氫化合物都是可以用的，又可以變成燃料，變成能源，這樣電廠的電能就被儲存起來，這個技術推廣起來，將來可以為可持續(xù)的發(fā)展開辟一條光明的道路。謝謝大家！