化石燃料是全球石化工業的支柱，為全球不斷增長的人口提供燃料、塑料、服裝、化肥等。近日發表在《科學》雜誌上的一篇新研究論文為替代技術——可再生電合成——如何引領一個更可持續的化學工業指明瞭方向，並最終使我們能夠在地下留下更多的石油和天然氣。
菲爾·德·魯納(Phil De Luna)是該論文的第一作者。他在多倫多大學(University of Toronto Engineering)的研究涉及設計和測試電合成催化劑，去年11月，他被列入《福布斯》(Forbes) 30位30歲以下能源領域創新者名單。他和他的導師Ted Sargent教授與來自斯坦福大學和道達爾美國服務公司的一個國際研究團隊合作完成了這篇論文。
《紐約大學工程新聞》採訪了菲爾·德·魯納，進一步瞭解可再生電合成如何將“石油”從石化產品中分離出來。
你能描述一下你想要解決的挑戰嗎?
我們的社會對化石燃料上癮——從手機裡的塑料到衣服裡的合成纖維，化石燃料無處不在。世界人口的增長和生活水平的提高，每年都在推高需求。
改變這一體系需要大規模的全球變革。在某些領域，我們有替代品——例如，電動汽車可以取代內燃機。可再生電合成技術也可以為石油化工行業做類似的事情。
什麼是可再生電合成?
想想石油化工行業的做法:它需要重的長鏈碳分子，並使用高熱量和高壓將它們分解成基本的化學構件。然後，這些基本的化學構件被重新組合成塑料、肥料、纖維等。
想象一下，如果不使用化石燃料，你可以使用空氣中的二氧化碳，而不是在高溫高壓下進行反應，你可以在室溫下用創新的催化劑和來自可再生能源的電力，如太陽能或水力發電來製造化學構件，這就是可再生電合成。
一旦我們進行了最初的改造，化學構件就會與我們現有的基礎設施相適應，產品的質量不會發生變化。如果你做得對，整個過程是碳中性的，甚至是負碳的。
電合成的優點是什麼?
其優點是速度和吞吐量。植物很擅長將二氧化碳轉化為物質，但它們也會將能量用於新陳代謝和繁殖，所以效率不高。種植一噸可用木材可能需要10到15年的時間。電合成就像把5萬棵樹的二氧化碳捕獲和轉化能力放進一個冰箱大小的盒子裡。
我們今天為什麼不這樣做呢?
歸根結底是成本。你需要證明，通過電合成製造化學構件的成本與用傳統方法生產它的成本是一樣的。
目前有一些有限的應用。例如，用於升級重油的大部分氫氣來自天然氣，但現在通過電解產生氫氣只有約4％（電力將水分解成氫氣和氧氣）。在未來，我們可以為碳基構建做類似的事情。
你的分析發現了什麼?
我們確定有兩個主要因素:一是電力本身的成本，二是電-化學轉換效率。
為了與傳統方法競爭，電力每千瓦時的成本需要低於4美分，而電-化學轉換效率需要達到60%或更高。
我們離目標有多近?
在世界上有些地方，太陽能的可再生能源每千瓦時的成本僅為2到3美分。即使在像魁北克這樣水力資源豐富的地方，每年也會有電價為負的時候，因為沒有辦法儲存電能。因此，從經濟潛力的角度來看，我認為我們在一些地區已經接近成功。
設計能夠提高電化學轉化效率的催化劑是比較困難的，這也是我在論文中所做的。對於乙烯，我所見過的最好的效率是35%，但是對於其他的建築材料，比如一氧化碳，我們接近50%。
當然，所有這些都是在實驗室裡完成的——要將其擴大到每天生產數千噸的工廠，難度要大得多。但我認為有一些應用程序顯現了前景。
你能舉個再生電合成的例子嗎?
以乙烯為例，它是世界上產量最大的石化產品。理論上，你可以用空氣中的二氧化碳或廢氣管制造乙烯——使用可再生電力和合適的催化劑。你可以把乙烯賣給塑料製造商，他們會把乙烯做成塑料袋或草坪椅之類的東西。
在它生命的最後，你可以焚燒這種塑料——或者任何其他碳密集型的廢物——捕獲二氧化碳，然後重新開始這個過程。換句話說，你已經關閉了碳循環，不再需要化石燃料。
你認為未來研究的重點應該是什麼?
我剛剛在加拿大國家研究委員會擔任了清潔能源材料挑戰項目的項目主任。我正在建立一個2100萬美元的合作研究項目，所以這是我經常思考的事情!
我們目前的目標是現有石化供應鏈中可以很容易轉化為電合成的部分。我上面提到的例子，就是利用電解生產氫氣用於石油和天然氣的升級。
另一個好的目標是一氧化碳，今天主要是由燃燒煤炭產生的。我們知道如何通過電合成來製造它，所以如果我們能提高效率，那將是一種速溶溶液。
可再生電合成技術如何適應減少排放和應對氣候變化的戰略?
我們需要可回收的建築材料，我們需要更高效的led照明，我們需要更好的太陽能電池和電池。但是，即使明天電網和交通網絡的排放量降至零，這對石化行業也沒有任何幫助，因為我們每天使用的許多產品都是由石化行業供應的。如果我們能從供應鏈的部分供電開始，這是建立替代系統的第一步。
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