稻草变“金子”不是童话 华人教授真做到了(组图)

和格林童话里的侏儒妖Rumpelstiltskin一样，很多人也曾幻想过把稻草纺成金子。

在现实生活中，有一些科学家正在利用大自然中的阳光把稻草变成能产生更高价值的物质。

卡尔加里大学的一个项目就在做这样的研究：把秸秆、枫叶等废弃的生物质，通过太阳能和催化剂进行转化，变成氢燃料、乳酸等一些高价值的化合物。




胡劲光（右一）和他的研究团队。图源：Canadian Light Source

秸秆变氢气：“一石二鸟”的制备技术

相对于石油炼制，采用秸秆等废弃的生物质作为原料来炼制各种化学品，被认为是在理论上更低碳的做法。

这一项目的负责人、卡尔加里大学化学和石油工程系助理教授胡劲光对加美财经表示，这种方式传统上主要有两种途径：

一种是利用生物法进行降解。自然界中的微生物、昆虫以及食草动物体内存在生物质催化降解酶。在整合优化后可以用于生物质酶降解、发酵，进而产出化学品和燃料。

另一种途径就是通过热化学途径，高温高压把生物质直接转化成生物裂解油或合成气，从而进一步加工成化学品和燃料。

过去四五十年中，科研人员和企业在这两条路径上都投入了不少成本和精力，也认识到这些方法可能并不是真正低碳的方式。 

“现在大家遇到一个瓶颈是，当我们整体来看它的LCA（生命周期分析）时，（减）碳排放（的效果）并没有大家想象的那么好，”胡劲光告诉记者，第二种热化学的途径在生产过程中就会释放很多碳，而对于第一种途径来说，生产酶的发酵过程中就会释放二氧化碳。

他表示，近来美国也有几家用秸秆生产生物燃料的企业，但由于这几年石油价格很低，实际上这种路线并没有到产业化的阶段，而且整体的碳排放并没有那么低。

胡劲光和他的团队初衷就是要研发一种低碳排放的生物炼制平台。

三年前，他和现在的研究伙伴Md Kibria博士一同加入卡尔加里大学，开始这个项目的研究。

它的核心是，用光电平台对生物质进行降解转化，利用一种催化剂把太阳能转化为电子，电子同时还原体系中的质子，生成氢气。

“整体上说我们希望做到一石二鸟，既产生氢，又能把生物质转化为高价值化合物产品，”胡劲光对记者说。

在氧化还原反应中，生物质还可被转化成各种有价值的产品，例如可以制成生物塑料的乳酸。生物塑料可以被降解，可应用于食品包装和母婴行业。

除此以外，胡劲光和他的团队还在研究其它高价值的产品，以及一些能源的前驱，例如生物柴油、航空燃油的前驱体。

他向记者表示，这一过程中使用到的催化剂相当于光合作用中的叶绿素，现在他们使用一些简单便宜的材料作为催化剂，例如碳氮的结合物。“我们可以用三聚氰胺、尿素生成这样的催化剂，所以不是很贵，”他说。

理论上，因为这一项目只使用了太阳能作为唯一的能源，在这个过程中不会产生二氧化碳。但胡劲光告诉记者，他们还没有经过生命周期分析，因此到现在还不能下最终零碳排放的结论。

“在制备半导体催化剂过程中，有多少二氧化碳排放，在产业化后，从原料、产品提纯的整个系统来看到底有没有碳排放，目前还没有定论，”他说。


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清洁能源新趋势：从“蓝氢”到“绿氢”

1月21日，美国总统拜登上任首日，就撤销了从阿尔伯塔南下铺设输油管线的“基石”（Keystone XL）项目。

尽管拥有丰富的油气资源，但加拿大始终面临着出口市场单一、开采成本高、管道容量不足的能源困局，与之伴随的温室气体排放也是亟待解决的问题。

氢能源作为一个更环保的替代方案屡屡被热议，它可以在燃料电池领域进行广泛的产业化。

胡劲光认为，整体上，氢能源是发展的大趋势，全球很多国家都在关注氢经济。

在他所在的阿尔伯塔省，氢能源的发展其实已经相对成熟，不过其产氢的主流路线仍属于蓝氢——将天然气做蒸汽提炼。这一路径需要大量可靠的天然气供应，而且生产过程中并非没有碳排放。

实际上，加拿大是全球十大氢生产国之一，但其中大部分氢是用化石燃料生产的，这仍然会造成气候问题。

加拿大清洁能源公司(Clean Energy Canada)在去年10月发布的一份报告《Hydrogen 2020》指出，通过碳捕捉和储存技术制造的蓝氢，已经是对传统化石燃料制氢方式的重大改进，蓝氢已经被视为挣扎求生的加拿大化石行业的救命稻草，但蓝氢最终仍会被最清洁的氢取代，那就是绿氢。

这份报告指出，在加拿大，氢能正在进入起飞阶段，到2040年，绿氢的成本将下降64%。

胡劲光认为，蓝氢只是转向氢能源的一个过渡方案。“长远看，怎样做绿色氢能源是一个趋势，光水解产氢其实是绿氢中更进一步的做法，有些企业已经开始在逐渐进行规模化生产，”他说。

加拿大清洁能源公司也认为，未来，使用可再生能源电解水制备的“绿氢”和一些使用最前沿创新技术制氢的竞争将成为主流。

胡劲光和其团队所走的技术路线，就是光水解产氢的路线，但在这之外，他们还可以把生物质能更全面地利用起来。他表示，他们的项目就是在能源转型、减排、生物质资源的综合应用的背景和趋势下展开的。

商业化仍需时日

实际上，制备绿氢的创新技术目前呈现出多样化的特征。

位于卡尔加里的质子公司（Proton Technologies) 开发了将氢从地下重油中分离出来的技术，产出物只有氢能源和水，碳氢化合物则被留在地下。质子公司强调，这一技术保证了低成本和高清洁度，是其最具竞争力的两个方面。去年底，该公司成为了加拿大自然资源部“油气清洁技术项目” （Natural Resources Canada’s Oil and Gas Clean Tech Program）之一，这一项目给三家公司各奖励了5000万加元。

胡劲光也认为，如果他们的项目可以规模化生产，会有无穷的潜力。已有很多传统的石油企业和生物质能企业找到他们，表示对他们的技术路线感兴趣。 

目前，胡劲光领导的这一项目正和阿尔伯塔创新公司（Alberta Innovates）进行探讨，尝试将其从实验室搬到阿尔伯塔高日照的自然环境中进行测试，为之后的商业化做准备。此前，他们已在加拿大国家光源（Canadian Light Source）的研究所进行了实验。

他们的项目还获得了加拿大第一研究卓越基金（Canada First Research Excellence Fund）的支持。这一基金由加拿大政府的“经济行动计划（The Government of Canada’s Economic Action Plan）”在2014年宣布成立，每年投资2亿加元以支持加拿大的大学等院校开展科研，以使加拿大在人才和突破性发现方面保持世界领先地位，专注于可为加拿大创造长期经济利益的研究领域。

胡劲光表示，近几年来，从加拿大政府，到阿尔伯塔，再到卡尔加里大学，大家都看到了新能源尤其是生物质能的潜在趋势，因此给予了不小的支持。

“光电是近几年来大家都在攻坚的领域，在加拿大我们应该是最早开始的之一，” 他告诉记者，在这一领域，剑桥大学的相关项目走在前列，除卡尔加里大学外，包括多伦多大学、不列颠哥伦比亚大学和阿尔伯塔大学在内，很多高校都在相似的领域开展研究。此外，美国和中国的一些科研机构也开始往这一方向进行研究。


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“但大家都处在相似的阶段，距离实现商业化仍需要一段时间，”他告诉记者，在提高转化率、产率、把实验过程放大、需要什么样的反应器等方面，仍需要一段科研的过程。

例如，在将太阳能转化成电子方面的能力方面，太阳的波长段在很多范围内都有，最开始大家用的都是紫外线这一能量强波长短的波段，但紫外线其实只占到很小一部分，红外线和可见光的占比很大，怎样更有效地利用这些能量，对于提高其产率有着极大的影响力。

此外，在产氢的过程中，生物质也会转化成其它产品，怎样进一步提高氢的产率、提高生物质转化成其它产品的选择性，也都是大家在研究的话题。 阅读原文