可持續能源之路

文明的變革有賴於人類利用能源方式的變革。一系列工業和農業的革命讓地球上更多的人口過上了更好的生活，住所更舒適，食物更豐富，溝通更便捷，旅行更便利。所有這些進步都來源於我們更加先進更加靈活的獲取和利用能源的能力。基於清潔能源產生、傳輸、分配，電能和化學能儲存，能源利用效率和能源管理系統的可再生能源的不斷進步，以及背後材料科學領域的研究進展是我們這篇文章討論的主題。

2012年全球能源消耗量約為16萬TWh，大概相當於250億隻馬的勞動力。代替這些馬為我們提供了85%能源的是產生了大量污染物的化石能源。其中大氣中CO2含量已經從工業革命開始前的278ppm增加到現在的高於400ppm。再加上其他溫室氣體諸如CH4、N2O和氟化物，其濃度已經高於480ppm。這些污染物增量的75%都發生在1950年之後。燃燒化石能源還會產生諸如SOX、NOX、可吸入顆粒物、可揮發有機物、有毒重金屬等其他更嚴重的空氣污染物。

溫室氣體的排放造成了全球氣候的變化。不斷增加的極端炎熱天氣、乾旱、洶湧的降雨和隨之而來的洪水以及紛擾不斷的海洋都在時刻警示著我們。地球生態系統極度複雜，很難預測未來的風險。另外，因為深海巨大的熱量慣性，溫室氣體導致的海洋變暖很難輕易轉變。這就意味著，即使我們明天就停止排放，也要幾個世紀才能達到新的平衡，才能知曉我們造成的破壞有多大。正是因為如此，迅速減少溫室氣體排放緩解氣候變化風險才是現今最為穩妥的方案，而不是等著更多氣候變化證據的出現卻無所作為。

道教創始人老子說「生大材，不遇其時，其勢定衰。生平庸，不化其勢，其性定弱」，我們又該何去何從？預計2020年全球能源消耗量將達到18.4萬TWh，到2040年將達到23.8萬TWh。如果我們維持現狀，到2040年全球CO2排放量將會比1970年到2015年翻一番。

在2012年，我們探討了過渡到可持續未來的機遇和挑戰。其中，運輸和發電行業這兩個行業就幾乎佔到了溫室氣體排放總量的一半。另外30%的溫室氣體和絕大部分的CH4和N2O來自於農業、林業、土地使用、工業過程產生的廢棄物，諸如化學物質、建築殘渣、鋼鐵廢材和廢熱。人為的溫室氣體排放來源於各種經濟生產部門，應對全球氣候變化任重道遠。

儘管化石燃料在未來幾十年依然會在能源和工業原材料方面扮演重要角色，但我們對圖1中各種零排放的構想卻從未止步。越來越多的清潔可再生能源和核能用來發電，給工業生產和居民生活供電。材料科學領域的進步正在顯著降低這些過程中的碳排放。寬頻隙半導體和介電材料的突破使得電能的傳輸和分配效率更高。儲能技術正被廣泛地應用於純電動汽車中，反過來也促進了可再生能源的發展。可再生農業廢料也將逐漸取代石油和天然氣成為化學工業的新原料。隨著我們在清潔能源研發上的持續投入，新的催化劑會更加經濟高效的將CO2和H20直接轉化為燃料和化學原料。金屬有機骨架化合物（MOFs）和其他新型材料可以捕捉髮電、建房、制鋁、製造塑料和鋼鐵過程中產生的排放到大氣中的碳。如果捕捉的過程不斷循環，我們能通過材料科學的進步永久性地分離大氣中的碳。

太陽能電池篇

太陽能電池的價格已經從2008年的3美元*W-1降到了2016年0.50美元*W-1。2011年美國能源部太陽能計劃2020年的目標是太陽能發電的成本，企業級為0.06美元*kWh-1，消費級為0.09美元*kWh-1。現在看來，太陽能計劃目標應該可以實現。實際上來自可再生能源發展機構提供的買方市場最新報價顯示，在像迪拜這樣太陽光充足的地區，太陽能電池發電成本已經低至0.03-0.04美元*kWh-1。因此美國能源部最近宣布2030年發展目標，企業級和消費級價格分別為0.03和0.05美元*kWh-1。

通過太陽能電池製造和維護成本降低以及壽命的增加等途徑，我們希望未來太陽能電池發電成本從2016年的0.07美元*kWh-1降低到0.03美元*kWh-1。2015年多晶硅太陽能電池發電量為69.5%，單晶硅為23.9%，碲化鎘為6.6%。其中單晶硅太陽能電池光電轉化效率為21%，多晶硅為17%，碲化鎘為15.6%。實驗室達到的最高效率相應為25.6%，21.3%和21%。原料和製造成本的穩步降低和政策扶持使得太陽能發電價格有望降低到0.03美元*kWh-1。未來成本的進一步降低有賴於太陽能電池器件更高的轉化效率，更長的壽命（＞35年）和更低的效率衰減（＜0.3%每年）。

儘管傳統的硅和碲化鎘太陽能電池發電成本有望降低到0.02美元*kWh-1，但這遠遠不夠。我們還需要新機理進一步提高光電轉化效率，新材料進一步降低製造和加工過程的成本。參考文獻8中詳細介紹了影響單結和多結太陽能電池性能的因素。單結太陽能電池的限制，即Shockley-Queisserlimit，可以通過特定裝置聚合太陽光來解決。例如，構建納米結構強化太陽光吸收或採用多結太陽能電池。其他的提高太陽能電池效率的方法包括中間價帶太陽能電池、空穴上下轉化、光聚合、增載入流子、熱光電方法等。發展像生物光合作用這樣連續性的能量轉化方法也是提高太陽能電池光電轉化效率的可能方法。新材料的應用也會給傳統方法提供新的可能。例如，新型鈣鈦礦結構材料CH3NH3PbI3組裝的小型太陽能器件就達到了22.1%。鈣鈦礦材料不僅性能優越、組裝成本低，還具有調節吸收光譜應用在多結太陽能電池中的潛力。但是這種鈣鈦礦材料壽命還有待提高。

最後，基於納米材料的自清潔超級疏水表面因為應用前景廣泛而得到了深入的研究。其應用包括保持太陽能電池面板免於灰塵和沙土侵襲，可以用更少的水清洗；防止飛機和風機渦輪葉片結冰；船舶船體防污塗層等。這些防濕防冰表面都是模擬的荷葉和昆蟲翅膀的微納米結構。

儲能電池篇

耐用的可充電電池是純電動汽車和大規模儲能設施的核心部件。美國能源部2022年純電動汽車電池包價格目標為125美元每千瓦時，以此保證清潔交通科技的大規模應用。目前電動車用動力電池容量密度為200-250Whkg-1，但是Battery500 聯盟提出了更加激進的目標，電池容量密度達到500 Whkg-1，循環壽命超過10年，行駛總里程24萬公里。在大規模儲能應用中，對於性能穩定的要求高於容量密度，需要循環次數高於6000次，使用壽命長於20年。

在交通運輸和消費電子領域，鋰離子電池佔據了統治地位。目前鋰離子電池是由石墨負極和鋰金屬氧化物正極（層狀LiNixCoyMnzO2（NMC）、LiMn2O4和LiFePO4）。Li4Ti5O12被用作電動公交車快充電池負極材料，因為其負極電極電勢較高，導致容量密度很低。進一步提高鋰離子電池能量密度和功率密度需要新型電極材料的開發。

負極材料方向，硅的容量密度是石墨的十倍（Si是4200mAhg-1，Li4.4Si是2100 mAhg-1），但是硅在充放電過程中會有四倍的體積變化，可能會導致容量衰減。在過去的數十年里，研究人員提出了許多納米尺度結構來解決負極材料結構塌陷和固態電解質膜不穩定的問題。金屬鋰負極材料因為其高達3860 mAhg-1的容量密度而廣受關注。然而，金屬鋰枝晶問題、庫倫循環效率低、電池壽命短和安全問題導致商業化受阻。為了克服這些問題，研究人員提出了一些新方法，諸如納米尺度的設計、電解液添加劑、固體電解質、氧化石墨烯負載金屬鋰等。

正極材料方向，富鎳富鋰材料LiNixCoyMnzO2由於過渡金屬原子和氧原子價態都可能改變，因而容量密度可能達到約250mAhg-1。但是其化學和結構穩定性還有待提高。硫（約1700 mAhg-1）和氧氣（Li2O2約1700 mAhg-1）負極材料具有極高的容量密度，但是實用性受到循環壽命的影響。同樣，納米結構（如圖3b所示）也能夠有效提高硫負極的循環壽命和性能。恰當的正負極組裝方式可以有效地提高電池容量密度，從200到600Wh*kg-1。

另外，用Na、K、Mg、和Al這類地殼中含量豐富的元素的化合物代替鋰，包括正負極、溶液、鹽和添加劑等電池組成中的一系列成分，都得到了重視和發展，也使替代鋰的電池體系更加實用化，更有競爭力。

對於大型儲能設施，成本、規模、壽命才是是核心問題。氧化還原液流電池就非常適合用作大規模儲能。但是用於隔離正負極電解液的離子交換膜的價格還有待進一步降低。而氧化還原物質的穩定性還有待提高。半液流電池（由固體電極和液體電極組成）例如鋅鹵體系和鋰硫體系，因為不需要離子選擇性膜，所以降低了成本。水系電解質電池的電解質成本更低安全性更好而備受關注。

光催化與化學燃料篇

儘管前面提到了很多種能源產生和存儲模式，但是現在用的汽油和柴油無論是體積能量密度還是質量能量密度都比當前的電化學電池高了幾乎100倍。即使是相對來說能量密度很低的甲醇，也至少比未來的任何封裝電池包能量密度高10倍。碳氫化合物燃料在常溫常壓下可以以液體儲存所以優勢巨大。低溫壓縮液化天然氣和快速運輸與低溫儲存的費用遠高於常規液體燃料。速度緩慢的大型油輪像輸油管道一樣，起到了不間斷運油的作用，而環球運輸價格比起汽油價格可以忽略不計。因此，當清潔電力成本降低到0.02-0.03美元*kWh-1，通過水分解和二氧化碳還原這類電催化反應把電能轉化為能量密度更高的化學燃料儲存起來，就會顯得更加經濟高效。

水分解，2H20→2H2+O2，由四個關聯的半反應，包括析氫反應（HER）、析氧反應（OER）、氫氣氧化反應（HOR）和氧氣還原反應（ORR）。析氫反應和析氧反應對應於氫氣製備，氫氣氧化和氧氣還原反應對應於燃料電池過程。這四個反應過去都是用貴金屬催化劑，但是在理解催化機理的基礎上有可能用地殼中含量豐富的元素作為催化劑實現高效轉化。對於析氫反應，金屬鉑是最常用的催化劑，但是最近的研究發現3d過渡金屬及其合金、金屬磷化物、硫化物、氫氧化物都具有催化活性。例如，層狀MoS2具有活潑的Mo邊緣位點。對於析氧反應，除了RuO2和IrO2以外，其他的過渡金屬氧化物和氫氧化物也有很高的催化活性。Pt和Ir是氫氣氧化反應最好的催化劑，而NiMo因為價格低廉廣受關注。鉑基催化劑，包括鉑與過渡金屬合金最常用作氧氣還原反應催化劑。多元合金納米結構具有極高的比表面積，Pt3N納米框架活性比團狀高了36倍，氧氣還原反應催化活性高了22倍。除了探究催化劑的不同組成，又有人提出了基於電化學控制的鋰離子脫嵌來控制化學勢、氧化態、電子結構和催化效率的新方法。

電化學方法將CO2還原為高能量密度化學能源，CO2+H2O→HxCyOz+O2，用以製造化學燃料和減少碳排放。二氧化碳循環利用製備甲醇和衍生物（諸如一氧化碳和甲酸），即「甲醇經濟」是對「氫經濟」的變革，因為前者的反應產物具有更高的能量密度。參考文獻44詳盡總結了電還原將二氧化碳轉變為燃料的催化劑。

除了電化學催化反應以外，還有光催化反應，即利用太陽光將水和二氧化碳直接轉變為化學燃料和原料。光化學反應需要諸多材料性能，需要同時包括光子吸收、電荷分離、催化以及伴隨化學反應的電子結構的改變。從經濟角度考慮，實現將電能和太陽能直接轉化為化學燃料的工廠標準化生產至關重要。在全年晴天的情況下，由當地光伏設備供電的電化學設備有25%的季節性工作周期。要使資本回報率最大化，需要儘可能使設備接近滿負荷運轉。

氣體的分離和儲存材料

在石油化工領域，長鏈烴類的裂解需要在高溫條件下進行，得到的分子量較小的易揮發烴類（如乙烯/乙烷、丙烯/丙烷）的分餾則在低溫高壓下進行。他們的分離是最耗能的工業過程之一。金屬有機骨架（MOFs）是一種有效地分離短鏈烴類的方法，通過對孔結構的納米尺度調節和官能團的修飾可以實現從甲烷到丙烷的選擇性分離。

在發電和工業生產中，二氧化碳的捕捉是深度脫碳的必要過程。發電廠中二氧化碳捕捉方法包括從煙道氣中捕捉的「燃燒後捕捉」和「燃燒前捕捉」，即將燃料轉化為CO+H2，進而轉化為CO2+H2。對於300-600MW的中等規模發電站，碳捕捉方法的運營經驗很有限。基於商業規模發電站運營經驗，預估新型碳捕捉電站的成本方案很多，但一般認為發電成本會增加30-50%。而已有發電站改造成本會更高，對於本來熱能效率就很低的發電站，額外增加新的負載造價太高。金屬有機骨架材料（MOFs）、類沸石咪唑酯骨架材料（ZIFs）、微米及納米結構材料等新材料的發現和應用有可能將二氧化碳的捕捉成本降低到發電成本的15-20%。使用基因演演算法進行理論計算，可以尋找性能更好的MOFs材料，也已經確定了很有潛力的材料。這些材料也可以被用於燃燒過程的優化，將氧氣從空氣中分離出來，燃料在CO2+O2氛圍下燃燒產生CO2+H2O，CO2很容易實現分離。這一過程也可以用在天然氣的利用中。其他先進的二氧化碳捕捉方法包括離子液體、化學循環和生物固定等。考慮到現在碳含量已經高達550ppm，因此我們也需要直接捕捉大氣中的二氧化碳。

然而，發展二氧化碳捕捉、利用、固定（CCUS）並不像提高石油開採效率一樣有經濟利益驅使。即使有政策推動，即使使用最新的碳捕捉材料，建立一個中等規模的碳捕捉髮電站成本也要超過20億美元。因此CCUS的早期測試需要國際合作和信息共享。

熱電材料

熱管理是能源技術的重要組成部分。幾十年來科學家都在追尋將廢熱直接轉化為電能的方法。熱電材料品質因子為無量綱參數ZT=(α^2σ/κ)T，其中α為賽貝克係數，表示給定溫差T產生的電勢能；σ表示電導率；κ表示熱導率ou。納米結構、異質結構和合金可以提高熱電品質因子ZT。最近，溫差原電池材料的ZT已經達到3.5甚至更高，與常規熱電材料相比，其電化學反應熵變更大溫度係數也更高（~1mV K-1）。

高效的輻射熱管理系統可以減少全球能源需求。設計設備和衣物促進7-14μm紅外波段光輻射可以起到被動輻射降溫效果。利用電、光和溫致變色機理的智能窗戶可以動態控制紅外輻射透過液晶材料、納米材料（銦錫氧化物）和其他材料，從而實現建築能耗的降低。

電力電子材料

電力電子學是電力系統控制與轉換、電動機驅動裝置、變頻器和變流器的基礎。硅半導體在這些領域具有主導地位，但是SiC和GaN這類帶隙更高的半導體熱效率更好、製造的晶體管電壓也更高。現在的主要問題是如何大範圍生長高質量接觸更好的材料。金剛石（即鑽石）具有寬頻隙、高擊穿電壓和優良的熱導率，因此是高電壓和高功率轉化開關的絕緣柵雙極晶體管理想材料。問題是，通過摻雜獲得高導電率的金剛石材料還有很多困難。

微生物能源轉化

微生物可以被用作生物能源轉換材料。在微生物燃料電池中，微生物負極和空氣正極可以將溶液中的有機物轉換為電能。納米科技的應用可以增加負極表面積和強度，從而提高微生物與電極的接觸增強電子收集效率。由於氧氣還原和在溶液中溶解導致的電壓和電荷損失，需要條件優化來進一步降低。材料科學同樣可以促進微生物光合作用合成有機物的過程。例如，CdS納米顆粒可以增加微生物光敏反應，促進在光照下的二氧化碳還原效率。

發展與應用

材料科學在可持續能源發展過程中發揮著至關重要的作用。過去幾十年取得的進步振奮人心。雖然意外的發現在新材料發現過程中還扮演著重要的角色，我們對基礎物理和化學材料方面的深入了解以及在分子水平和納米尺度測量和構建材料的能力都在強有力地補充著經驗主義嘗試和失敗的革新方法。

持續的科學進展需要充足的公共資金支持，因為很多科研課題周期太長很難獲得私人投資。科研之外，還有兩座大山橫亘在科學發現與創新和大規模應用的轉化之間。橫跨第一座大山需要富有挑戰的資本家或公正的投資機構長期的耐心。第二座大山是從小規模試點到大範圍商業化，這需要規模經濟來有效降低成本。

風電發展受到了政府持續的扶持，最初是來自美國，但是長期的支持和助力來源於丹麥和德國，是他們最終讓風電更加經濟，競爭力更強。這些進展也使風機葉片複合材料的製造和更加耐用的電子電氣設備都得到了提高。未來，稀土磁體替代材料或更加環保的稀土提純方法會有助於降低穩定可靠的渦輪機的成本。

鋰離子電池技術的發展走的是一條不同的路。最初的市場來源於筆記本電腦的需求。手機市場需求刺激了高體積能量密度和快充電池的極速發展，而急速增長的無人機市場需要的則是高重量能量密度電池。新興純電動汽車和插電混動汽車市場的發展有購車補貼助力。在美國一些地區，新能源汽車不管乘客有多少人都可以進入多乘員車道。因為這些政策，18650電池製造成本2015年約為300美元 kWh-1，比2006年降低了三倍，18650電池起初是為筆記本電腦設計的。到2018年，電池製造成本預期在現在基礎上再降低兩倍。

當前，沒有什麼比減少碳排放更能引起市場和監管層的注意。減少碳排放是避免人類活動導致的氣候變化最終成為「人類災難」的根本之道。2015年巴黎協定只是第一步，潛在的氣候災難風險需要更強有力的行動。

絕大多數經濟學家一致認同轉變到低碳經濟最有效的方法是對碳排放權定價。如果碳排放的費用包含在化石能源和能源消耗工業的成本里，市場之手會比監管更加有效。

歐盟在2005年開始實施碳排放限額交易政策，即碳排放受限但可以通過配額交易進行排放。為了通過經濟刺激減少排放，碳配額不斷減少，導致碳排放價格不斷提高。2013年早期，每噸二氧化碳配額價格一直在5-6歐元徘徊。然而絕大多數專家認為要想達到廣泛的脫碳效果，碳配額價格應該在70-80歐元每噸。現在看來，許多碳積分被歐盟交易計劃分發出去。如何分派碳配額對每個國家來說都是管理難題，要達到預期效果，激進的降低碳配額的政策初衷挑戰重重。

碳排放徵稅是碳配額交易體系的替代方法。徵稅可以增加透明度降低市場干預和監管難度，給投資者保障。但是碳排放稅會增加能源成本。政策需要保持中立性原則，即碳稅應該向每個工作的成年人徵收。為了給工業和個人時間適應，碳稅到2040年會逐漸漲到80歐元每噸。化石能源的補貼也應該儘快終止。隨著碳稅提高，新能源補貼也會逐漸退出。核能、零排放能源也能跟包含CCUS成本的化石能源相互競爭。

碳稅避免了如何向發展中國家和發達國家分派碳配額的問題。不需要達成國際協定也可以像排放大戶徵收重稅，這需要如歐盟、中國，最好是美國起到示範作用。減排政策可以通過WTO規則下的關稅進行調節，確保在碳排放中起到主要作用的國家，其經濟發展不會受到衝擊。

碳稅提高到80歐元每噸，最重要的意義在於，會激勵科學的非凡想像和創新，也會吸引市場對科研的投資。過去六年，清潔能源成本大幅降低。在世界很多地區，風能和太陽能價格已經和化石能源持平。然而碳減排前25%的難度遠比不上後25%。在電能和化學能傳輸、分配和儲存系統中實現可承擔的全面的清潔能源目標還要克服很多技術和政策的難題。然而我們必須要一一克服，否則正如馬丁路德金所言：There is such a thing asbeing too late(為時已晚，後悔莫及)。

本文翻譯自2016年末朱棣文在nature material的署名文章『The path towards sustainable energy』。