如何让气候变化发生改变
根据联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 的报告，目前已经有 35 亿人极易受到气候变化和全球持续变暖的影响。此项报告警告称，只要全球气温在近期内升高 1.5°C，便会导致生态系统和人类面临严重风险 [1]。
根据《联合国巴黎协定》，196 个国家承诺将全球平均气温升幅限制在 2°C 以内，最好是不超过 1.5°C [2]。本协定要求“到本世纪下半叶，在人为温室气体排放的源与汇之间达到平衡。”这意味着我们不仅要尽可能地减少排放量，还要大幅增加负排放总量，即寻找可用于去除大气中二氧化碳的技术方法，进而缓解气候危机。
2021 年，我们携手《经理人杂志》，向图宾根大学物理与理论化学研究所的 Matthias May 博士颁发了我们的“好奇精神研究者奖”，以表彰他在太阳能制氢和二氧化碳光电化学还原方面的研究工作，即利用阳光作为一种能源，将二氧化碳转化成能够轻松、安全且可持续地储存的产品。
您知道么？
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3.5
亿人目前极易受到气候变化的影响 [1]
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10
亿公顷土地需要通过自然光合作用实现负排放 [5]
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300
万公顷土地需要使用光电化学电池实现负排放 [5]
从可行到可扩展
为了明确《巴黎协定》的意义，分析人员将预期温度限制转化成了碳预算，指明了本世纪剩余时间内再排放多少二氧化碳便会打破这些限制 [3]。每种设想都有一个共同点，即假设推广负排放技术在技术能力、经济和社会方面都具有可行性。但大多数负排放技术目前仍处于早期开发阶段，而且几乎无法突破理论研究或小规模示范 [3]。
为了从大气中去除预期二氧化碳量，即从 2050 年开始每年大约 100 亿吨，负排放技术必须能够迅速扩大规模。但哪些方法能足够快地实施，并以最低经济或环境成本做出巨大贡献，仍有待观察。
“任何可行的负排放方法都必须依赖可扩展且可持续的能源，并产生可安全储存的产品，”May 说道。“另外还需要高效利用水资源和能源，同时在大规模推广方面既可行又经济。”
去除二氧化碳：如何推进？
目前最先进的碳排放技术是生物质能结合碳捕获与封存 (BECCS)，即从植物生物质中提取能源，同时捕获并储存地球的碳排放量 [4]。
然而，尽管在自然界中通过光合作用过程（这一过程最终会产生可安全储存的化石燃料）即可发生碳捕获，但自然光合作用的效率在强光条件下有所下降，而且所产生的能量有很大一部分将会用于植物代谢。这使得利用植树造林和海洋施肥来实现负排放并不高效，因为需要实现预期碳去除目标的土地面积多达约 10 亿公顷 [5]。 这一数字大约是中国可用耕地面积的十倍 [6]。此外，近期有一项分析发现，广泛部署 BECCS 可能会导致在生物多样性损失、全球淡水消耗和气温上升之间作出的权衡不可接受 [7]。
其他主流负排放技术包括直接捕获大气中的二氧化碳和增强风化作用，但这些技术具有能源密集、成本昂贵和缺乏可扩展性等缺点 [5、8]。
人工光合作用技术
现有负排放技术的一种替代方案是，利用光电化学太阳能电池进行人工光合作用。事实已经证明，这种方法的效率达到了自然光合作用的十倍，通过减少二氧化碳排放量或分解水都能产生能量 [8]。但使用二氧化碳电化学还原的产物（即使是由可再生太阳能生成）作为能源载体，仍会将已捕获的温室气体释放回大气中。只有驱动水分解和制氢的太阳能电池才能完全消除能源系统中的碳排放，但这种方法还处于早期开发阶段，而且需要有别于化石燃料所用基础设施的全新基础设施 [8]。
在性质类似但针对不同产物的方法中，May 结合了使用太阳能电池进行的人工光合作用与制造可安全储存的碳产品这一方法，该概念被称为“二氧化碳光电化学还原”。
与自然光合作用一样，光电化学电池（一种人工光合作用机器）可将光子中的能量转化为燃料或其他产物。此类电池包括电解质和吸收光的半导体或染料。通过直接吸收太阳辐射，电解质捕获大气中的二氧化碳并转化为富碳产物。这种转化是在位于吸光材料和电解质之间助催化剂的作用下发生的。
光电化学电池可将二氧化碳转化为甲醇、乙醇、甲烷和一氧化碳等传统燃料，但 May 的团队更有兴趣研究最适合储存碳的产物。
“原理与太阳能电池非常相似，”May 说道，“但我们不再分解水，而是利用太阳能来驱动电化学反应，将二氧化碳转化为其他产物。由于我们力求在这一迭代过程中寻找最有前景的碳汇产品，所以其实还有一些其他问题尚未探明。”
有些富碳产物可能需要进一步加工才能储存，而另一些富碳产物能够直接提取以供长期储存。“例如，我们正在探索草酸盐，这种物质也存在于肾结石中。采用在无机矿物中加入阳离子的方法来对草酸盐进行后期处理，即可将其轻松储存在靠近地面的露天仓库中，”May 说道。“将二氧化碳泵入地下可能会导致潜在的泄漏或土壤酸化，因此相比之下，这种方法让储存过程变得更简单、更安全。”
“另外还有可能直接在催化剂表面形成碳片，然后您可抖落碳片，再直接将产物储存于露天仓库中。这样确实扭转了消耗化石燃料的局面，即停止在燃烧煤炭后向大气释放碳产物，现在我们要从根本上扭转这一过程。”
这种方法有两大优势。第一个优势是，可产生许多潜在的碳汇产品，所以可将其储存在不同地点，甚至安全且可持续地储存数千年之久。
第二个优势是，通过二氧化碳光电化学还原可提高从太阳能到碳产物的转化效率，大幅减少了实现碳去除目标所需的土地面积；如果碳产物是草酸，那么仅需要 300 万公顷土地 [5]，这仅是依靠自然光合作用实现碳去除所需土地面积的 0.3%。
May 已经开发出了定制光电化学电池，其中吸光材料与电解质结合得更加紧密；这是一项在技术上颇具挑战性的开发项目，但有望降低成本以推动这一领域的商业发展 [9]。
“我们主要专注于紧密集成的光电化学系统，即将光吸收剂浸入了电解质，”May 说道。“尽管这在光吸收剂的设计上施加了限制，但在大规模应用此类技术的情况下，紧密集成特性可带来至关重要的成本效益。”
加强合作，减少二氧化碳排放量
为了进一步发展技术，May 最近启动了与其他五所德国大学合作的 NETPEC 项目。此项目将采用高度跨学科的方法，引入计算化学、光谱电化学、电催化、太阳能光伏、气候模型、油藏地质储量调查和可持续性分析等方面的专业知识。
没有时间可供浪费。目前提出的负排放方法如果有效的话，预计本世纪将会花费 89 万亿至 535 万亿美元资金 [10]。
“持续的化石燃料排放给年轻人施加了巨大的负担，他们必须突破减缓战略，付出巨大努力才能去除大气中的二氧化碳，进而减轻气候灾难，”May 说道。“虽然在人类活动中迅速去化石化必须是第一要务，但我们迫切需要开发高效、可持续且安全的技术来去除温室气体，同时在广泛应用方面还要既可行又经济。”
如果没有青年研究人员的创新理念，我们时代的任何挑战都无法得到解决。无论是可持续的技术、未来的生物科技，还是对 AI 驱动型解决方案的研究，所需要的都是好奇精神。通过好奇精神研究者奖，我们希望表彰此类开拓性的工作。
好奇精神奖
May 因在推进太阳能燃料电池理念方面的工作，获得了“流动性和能源”类别的“好奇精神研究者奖”。这一奖项旨在表彰德国 40 岁以下的年轻科学家，他们的工作不仅展示了最高水平的学术成就，还表明将为未来的全球经济发展提供动力。
“好奇精神奖让我们有机会认识生物技术产业的潜在投资者和合作者，他们能帮助实现这些负排放技术的商业化，”May 说道。“人们有兴趣了解我们的研究并帮助我们取得进一步发展，这真的让我们深受鼓舞。我们已与另一位‘好奇精神研究者奖’获得者——从事太阳能电池研究的 Michael Saliba 教授开展合作，另外获知这一奖项的其他人士也联系了我们，希望这能为深入合作开辟道路。”
我们的承诺
2012 年，联合国制定了 17 个可持续发展目标 (SDG)，以应对全球面临的环境、政治和经济方面的迫切挑战。3 年后，所有成员国都采纳了这些目标。我们承诺，我们的工作将有助于实现这些宏伟的目标。通过推动履行减缓全球变暖这一国际承诺急需的负排放技术，Matthias May 博士在光电化学电池方面开展了杰出的工作，有助于符合“目标 7 - 确保所有人都能获得经济、可靠、可持续的现代能源”，以及“目标 13 - 采取紧急行动以应对气候变化及其影响”。
深入了解参考文献
[1] Intergovernmental Panel on Climate Change, 2022. Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability. [online] Available: https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg2/downloads/report/IPCC_AR6_WGII_SummaryForPolicymakers.pdf
[2] United Nations Climate Change Paris Agreement. [online] Available: https://unfccc.int/process-and-meetings/the-paris-agreement/the-paris-agreement
[3] Anderson K, Peters G. The trouble with negative emissions. Science. 2016;354(6309):182-183. doi:10.1126/science.aah4567
[4] Sanchez, D., Nelson, J., Johnston, J. et al. Biomass enables the transition to a carbon-negative power system across western North America. Nature Clim Change 5, 230–234 (2015). https://doi.org/10.1038/nclimate2488
[5] May MM and Rehfeld K. Negative Emissions as the New Frontier of Photoelectrochemical CO2 Reduction. Adv. Energy Mater. 2022, 2103801. https://doi.org/10.1002/aenm.202103801
[6] https://data.worldbank.org/indicator/AG.LND.ARBL.HA?locations=CN
[7] Heck, V., Gerten, D., Lucht, W. et al. Biomass-based negative emissions difficult to reconcile with planetary boundaries. Nature Clim Change 8, 151–155 (2018). https://doi.org/10.1038/s41558-017-0064-y
[8] May MM and Rehfeld K. ESD Ideas: Photoelectrochemical carbon removal as negative emission technology. Earth Syst. Dynam., 10, 1–7 (2019). https://doi.org/10.5194/esd-10-1-2019
[9] May, M., Lewerenz, HJ., Lackner, D. et al. Efficient direct solar-to-hydrogen conversion by in situ interface transformation of a tandem structure. Nat Commun 6, 8286 (2015). https://doi.org/10.1038/ncomms9286
[10] Hansen J, Sato M, Kharecha P, et al. Young people's burden: requirement of negative CO2 emissions. Earth Syst. Dynam., 8, 577–616, 2017. https://doi.org/10.5194/esd-8-577-2017
