和格林童話裡的侏儒妖Rumpelstiltskin一樣，很多人也曾幻想過把稻草紡成金子。
在現實生活中，有一些科學家正在利用大自然中的陽光把稻草變成能產生更高價值的物質。
卡爾加裡大學的一個項目就在做這樣的研究：把秸稈、楓葉等廢棄的生物質，通過太陽能和催化劑進行轉化，變成氫燃料、乳酸等一些高價值的化合物。
胡勁光（右一）和他的研究團隊。圖源：Canadian Light Source
秸稈變氫氣：“一石二鳥”的製備技術
相對於石油煉製，採用秸稈等廢棄的生物質作為原料來煉製各種化學品，被認為是在理論上更低碳的做法。
這一項目的負責人、卡爾加裡大學化學和石油工程系助理教授胡勁光對加美財經表示，這種方式傳統上主要有兩種途徑：
一種是利用生物法進行降解。自然界中的微生物、昆蟲以及食草動物體內存在生物質催化降解酶。在整合優化後可以用於生物質酶降解、發酵，進而產出化學品和燃料。
另一種途徑就是通過熱化學途徑，高溫高壓把生物質直接轉化成生物裂解油或合成氣，從而進一步加工成化學品和燃料。
過去四五十年中，科研人員和企業在這兩條路徑上都投入了不少成本和精力，也認識到這些方法可能並不是真正低碳的方式。
“現在大家遇到一個瓶頸是，當我們整體來看它的LCA（生命週期分析）時，（減）碳排放（的效果）並沒有大家想象的那麼好，”胡勁光告訴記者，第二種熱化學的途徑在生產過程中就會釋放很多碳，而對於第一種途徑來說，生產酶的發酵過程中就會釋放二氧化碳。
他表示，近來美國也有幾家用秸稈生產生物燃料的企業，但由於這幾年石油價格很低，實際上這種路線並沒有到產業化的階段，而且整體的碳排放並沒有那麼低。
胡勁光和他的團隊初衷就是要研發一種低碳排放的生物煉製平臺。
三年前，他和現在的研究夥伴Md Kibria博士一同加入卡爾加裡大學，開始這個項目的研究。
它的核心是，用光電平臺對生物質進行降解轉化，利用一種催化劑把太陽能轉化為電子，電子同時還原體系中的質子，生成氫氣。
“整體上說我們希望做到一石二鳥，既產生氫，又能把生物質轉化為高價值化合物產品，”胡勁光對記者說。
在氧化還原反應中，生物質還可被轉化成各種有價值的產品，例如可以製成生物塑料的乳酸。生物塑料可以被降解，可應用於食品包裝和母嬰行業。
除此以外，胡勁光和他的團隊還在研究其它高價值的產品，以及一些能源的前驅，例如生物柴油、航空燃油的前驅體。
他向記者表示，這一過程中使用到的催化劑相當於光合作用中的葉綠素，現在他們使用一些簡單便宜的材料作為催化劑，例如碳氮的結合物。“我們可以用三聚氰胺、尿素生成這樣的催化劑，所以不是很貴，”他說。
理論上，因為這一項目只使用了太陽能作為唯一的能源，在這個過程中不會產生二氧化碳。但胡勁光告訴記者，他們還沒有經過生命週期分析，因此到現在還不能下最終零碳排放的結論。
“在製備半導體催化劑過程中，有多少二氧化碳排放，在產業化後，從原料、產品提純的整個系統來看到底有沒有碳排放，目前還沒有定論，”他說。
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清潔能源新趨勢：從“藍氫”到“綠氫”1月21日，美國總統拜登上任首日，就撤銷了從阿爾伯塔南下鋪設輸油管線的“基石”（Keystone XL）項目。
儘管擁有豐富的油氣資源，但加拿大始終面臨著出口市場單一、開採成本高、管道容量不足的能源困局，與之伴隨的溫室氣體排放也是亟待解決的問題。
氫能源作為一個更環保的替代方案屢屢被熱議，它可以在燃料電池領域進行廣泛的產業化。
胡勁光認為，整體上，氫能源是發展的大趨勢，全球很多國家都在關注氫經濟。
在他所在的阿爾伯塔省，氫能源的發展其實已經相對成熟，不過其產氫的主流路線仍屬於藍氫——將天然氣做蒸汽提煉。這一路徑需要大量可靠的天然氣供應，而且生產過程中並非沒有碳排放。
實際上，加拿大是全球十大氫生產國之一，但其中大部分氫是用化石燃料生產的，這仍然會造成氣候問題。
加拿大清潔能源公司(Clean Energy Canada)在去年10月發佈的一份報告《Hydrogen 2020》指出，通過碳捕捉和儲存技術製造的藍氫，已經是對傳統化石燃料制氫方式的重大改進，藍氫已經被視為掙扎求生的加拿大化石行業的救命稻草，但藍氫最終仍會被最清潔的氫取代，那就是綠氫。
這份報告指出，在加拿大，氫能正在進入起飛階段，到2040年，綠氫的成本將下降64%。
胡勁光認為，藍氫只是轉向氫能源的一個過渡方案。“長遠看，怎樣做綠色氫能源是一個趨勢，光水解產氫其實是綠氫中更進一步的做法，有些企業已經開始在逐漸進行規模化生產，”他說。
加拿大清潔能源公司也認為，未來，使用可再生能源電解水製備的“綠氫”和一些使用最前沿創新技術制氫的競爭將成為主流。
胡勁光和其團隊所走的技術路線，就是光水解產氫的路線，但在這之外，他們還可以把生物質能更全面地利用起來。他表示，他們的項目就是在能源轉型、減排、生物質資源的綜合應用的背景和趨勢下展開的。
商業化仍需時日實際上，製備綠氫的創新技術目前呈現出多樣化的特徵。
位於卡爾加裡的質子公司（Proton Technologies) 開發了將氫從地下重油中分離出來的技術，產出物只有氫能源和水，碳氫化合物則被留在地下。質子公司強調，這一技術保證了低成本和高清潔度，是其最具競爭力的兩個方面。去年底，該公司成為了加拿大自然資源部“油氣清潔技術項目” （Natural Resources Canada’s Oil and Gas Clean Tech Program）之一，這一項目給三家公司各獎勵了5000萬加元。
胡勁光也認為，如果他們的項目可以規模化生產，會有無窮的潛力。已有很多傳統的石油企業和生物質能企業找到他們，表示對他們的技術路線感興趣。
目前，胡勁光領導的這一項目正和阿爾伯塔創新公司（Alberta Innovates）進行探討，嘗試將其從實驗室搬到阿爾伯塔高日照的自然環境中進行測試，為之後的商業化做準備。此前，他們已在加拿大國家光源（Canadian Light Source）的研究所進行了實驗。
他們的項目還獲得了加拿大第一研究卓越基金（Canada First Research Excellence Fund）的支持。這一基金由加拿大政府的“經濟行動計劃（The Government of Canada’s Economic Action Plan）”在2014年宣佈成立，每年投資2億加元以支持加拿大的大學等院校開展科研，以使加拿大在人才和突破性發現方面保持世界領先地位，專注於可為加拿大創造長期經濟利益的研究領域。
胡勁光表示，近幾年來，從加拿大政府，到阿爾伯塔，再到卡爾加裡大學，大家都看到了新能源尤其是生物質能的潛在趨勢，因此給予了不小的支持。
“光電是近幾年來大家都在攻堅的領域，在加拿大我們應該是最早開始的之一，” 他告訴記者，在這一領域，劍橋大學的相關項目走在前列，除卡爾加裡大學外，包括多倫多大學、不列顛哥倫比亞大學和阿爾伯塔大學在內，很多高校都在相似的領域開展研究。此外，美國和中國的一些科研機構也開始往這一方向進行研究。
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“但大家都處在相似的階段，距離實現商業化仍需要一段時間，”他告訴記者，在提高轉化率、產率、把實驗過程放大、需要什麼樣的反應器等方面，仍需要一段科研的過程。
例如，在將太陽能轉化成電子方面的能力方面，太陽的波長段在很多範圍內都有，最開始大家用的都是紫外線這一能量強波長短的波段，但紫外線其實只佔到很小一部分，紅外線和可見光的佔比很大，怎樣更有效地利用這些能量，對於提高其產率有著極大的影響力。
此外，在產氫的過程中，生物質也會轉化成其它產品，怎樣進一步提高氫的產率、提高生物質轉化成其它產品的選擇性，也都是大家在研究的話題。
(加美財經)
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作者：佐溪
責編：小浣熊
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