石油不僅是燃料，而且還是許多化工產品的原料。小到日常生活中的服裝和藥品，大到農業生產中的化肥、農藥以及鋪設公路的瀝青等，都離不開石油化工。目前的石油業巨頭都在擴大石油化工的規模，將更多的投入放到化工生產領域而非傳統的燃料生產領域。[1]
然而，隨著化石資源的緊缺，並且其燃燒後釋放的溫室氣體佔所有的溫室氣體排放量的14%，因此越來越多的科學家和企業開始致力於利用可再生能源，製造出傳統的石油化工產品。
圖片來源：BENDETTO CRISTOFANI / SALZMANART / Science [2]
問題是如何製造？Science專欄記者Robert F. Service日前撰文，評論了不依賴石油製備高附加值化學品的意義和可能性，簡要介紹了利用可再生能源（水電、風電、太陽能）提供電能從無機分子CO2、H2O、N2等出發製備化工產品的最新進展。[2]
在今年5月的Science 雜誌上[3]，Sebastian T. Wismann和他的同事們報道了一種環保的工業制氫法，電化學反應器可以取代傳統的甲烷燃料蒸汽重整反應器，這使得甲烷得到最大限度轉化，同時避免了燃料燃燒產生的二氧化碳排放。這項技術易於集成，能夠設計出格外緊湊的反應器，比常規的甲烷蒸汽重整平臺小100倍。
常規燃燒反應器和新型電阻加熱反應器反應原理。圖片來源：Science [3]
除了利用天然氣中的甲烷，化學家們還希望以水和二氧化碳（CO2）這些更為簡單易得的起始材料，製備出複雜的化合物。隨著可再生能源（如太陽能、風能、海洋能等）發電量的激增，化學家們開始構想，電能不僅僅提供熱能，而且可以作為反應的直接驅動力，這也就是所謂的電合成。
圖片來源：V. ALTOUNIAN / Science [2]
斯坦福大學的Thomas Jaramillo致力於研究能源轉化相關的可持續化學轉化材料和工藝。他們計算，如果每千瓦時（kWh）的電力成本不超過4美分，並且如果電能轉換成儲存在化學鍵中的能量的效率高於60%，那麼電合成法製備CO、H2、乙醇、乙烯等產品，將具有巨大的市場競爭力。[4]
電化學能量轉換示意圖。圖片來源：Science [4]
如果電力成本進一步下降，更多的化合物將可以通過電化學方法制備。2018年Sargent計算，如果電價降低至2美分/kWh，利用CO2合成甲酸、乙二醇和丙醇都是可行的。[5]這似乎給了我們一個更加明確的目標和方向。
從CO2出發的合成。圖片來源：Joule [5]
企業也開始介入這一場革命，“我們正在將‘電子’轉化為化學物質”，Nicholas Flanders說，他是一家初創公司Opus12的CEO。他們設計了一種洗衣機大小的電化學裝置，可以將空氣中的水和CO2轉化為燃料和其他分子，無需使用石油。[6]
圖片來源：Opus12公司官網[6]
除了初創企業，西門子這種行業巨頭也沒有袖手旁觀。舉個例子，西門子正在銷售大型電解槽，用電將水分解成氧氣和氫氣。西門子能源技術首席專家Maximilian Fleischer表示，商用質子交換膜（proton-exchange membrane, PEM）電解槽在分解水生產氫氣方面的效率已經超過了60%，達到了前邊Jaramillo提出的第二個標準。[7] 甚至殼牌（shell）和雪佛龍（Chevron）等石油公司也在尋找利用可再生能源轉化燃料的方法。
另外一家名為Sunfire的公司，完成了對一個高溫電解反應器——固體氧化物燃料電池的測試，這種裝置用水、CO2和電能來生產碳中性（carbon-neutral）燃料，據說效率有望超過PEM電解槽。試驗工廠的生產過程分為四個階段，第一階段將CO2從空氣中分離出來，然後將其輸送到燃料電池中。利用電能，在燃料電池陰極分解水和CO2，併產生CO、H2和帶負電荷的氧離子的混合物，這些離子穿過透氧固體膜到達陽極，在那裡它們釋放電子並結合產生氧氣。產生的CO、H2（即合成氣）進入第三個反應器，生產烴類。在第四階段，這些烴類進一步與H2混合，並重整為汽油、柴油和航空燃料所需的烴類混合物。該公司表示，由於該工廠在高溫下工作，水和CO2的裂解反應將電能轉化為化學能效率接近80%。
圖片來源：Sunfire公司 [8]
儘管簡單的工業化學品已經可以商業化，但直接用電合成大多數複雜烴類的效率仍然很低，成本高昂。製備含兩個碳的化合物，例如乙烯和乙醇，通常電能利用率僅為35%左右。三個碳以上的化合物，效率將降到10%以下。其中最大的問題有兩個：每次舊鍵斷裂新鍵生成，都會損失一些能量；製備複雜的烴類意味著產生更多的副產品，降低能源利用率，並增加分離成本。
尋找合理且高效的催化劑，或許是解決這兩個問題的出路。今年8月Joule 雜誌上，Sargent和他的同事們報道了改進的電解槽[9]，該裝置使用塗覆有銅催化劑的膜，可以將CO2和水蒸汽轉化為含兩個碳化合物，包括乙烯和乙醇，法拉第效率可以達到80%，穩定性可以連續操作超過100小時，乙烯產量＞100 mA cm−2。
催化電解示意圖。圖片來源：Joule [9]
另外，大型化工廠如何從依賴化石燃料供能轉變為依賴綠色電能，這也成為制約項目發展的重大問題。一個主要障礙是可再生能源的持續性問題，化石燃料驅動的化學工廠可以晝夜運行，雖然維修和其他問題的停機時間通常將其設備利用率降低到60%左右。但是，由可再生能源驅動的工廠，設備利用率可能只有50%以下。比如，由於夜間和陰天，太陽能發電量將下降到25%以下，風力和水電也會受到季節和天氣的影響。造成的結果是，可再生能源驅動的工廠需要更長的時間來盈利，這使得投資者不願支持這些項目。
不過，“我們應該保持樂觀”，Robert Service說，隨著化學家開發新的反應器，發現越來越高效的催化劑組合，當可再生能源繼續激增時，化學品將被更加綠色的製備出來，陽光、空氣和水將成為未來綠色化工的基礎。只是宣傳和呼籲可能是不夠的，只有綠色化工真正在市場上形成競爭力，才能與傳統石油化工一較高下。
（本文由小希 供稿）
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