正好最近在準備oral，introduction裏面涉及到sustainable energy的問題。看到有很多知友提出了熱力學上的能量轉化問題，即妳用了很大的能源去制備氫氣，提供足夠高的溫度或者過電位還原二氧化碳從而制備的甲醇，其所能提供的能量是不可能超出消耗的能源的。這是個很好也很尖銳的問題。事實上，制備得到的甲醇的化學能也許是僅僅占消耗的電能或者熱能的10%或更少，而消耗這些甲醇會產生等量的二氧化碳，加上在裂解石油天然氣產氫的時候釋放的二氧化碳，似乎二氧化碳的排放量也並沒有減少。這幾乎讓這篇文章和類似領域的研究成了壹場笑話。其實，scientist是最會算賬的（不然phd的工資也不會這麽低，手動捂臉），NSF和國家基金委的人也不傻，不會把錢花在完全沒有用的地方。
這其中有幾個概念需要了解清楚，1.地球上的能源很多，我們不缺能量，而能夠直接利用的能源很少，。為什麽這麽說呢，除了化石能源，我們有風，水，地熱，太陽能，核能等無數足夠豐富的能源，但我們能夠直接利用的能源只有能夠直接燃燒的生物質能，通過轉化效率大約40%-50%的內燃機把化學能轉化為動力利用起來。當然我們也用電，電能也是壹種可以被我們直接利用的清潔能量，但可惜的是電能不是能源，並不存在壹座存儲了無限電能的礦場供人類直接插上十億個充電寶供電。人類有無數的方法可以用來發電，但沒有足夠有效的方法來儲存電能。父親在水利行業和計算機領域做研究，參與過葛洲壩和三峽大壩水輪發電機的自動化控制，小時候在父親給我講大壩蓄水發電的時候我就問他，為什麽不把蓄起來的水都放掉來解決夏天供電不足的問題呢。事實是，水電廠，火電廠產出的電流通過過無數變電站和輸電線和耗電系統直接相連，根據最低木板原理，其實輸入功率是由輸出功率決定的，即用多少電發多少電，多發的電全部浪費在電網裏無法保存。
雖然我們有電容器，超級電容器，鋰離子電池，硫酸鉛蓄電池等等儲電裝置，但說到底還是把電能轉化成了化學能和電勢能，且設計目的是為了循環充放電而不是儲能，而且勢必無法制造幾百億個鋰離子電池來長時間儲存電能。所以三峽大壩的最大的目的不是發電而是儲能和調節分配能源，把能量通過重力勢能的形式儲存起來，在枯水季通過適當放水來發電。所以每年汛期強行開閘放水調節洪峰的時候妳都能看到水利部長壹臉肉疼的表情，因為放走的都是能源和白花花的銀子。
2 太陽能，風能能提供豐富但是不穩定的能源因此暫時無法接入電網正常使用。尤其是太陽能，受到環境的影響太大沒有穩定輸出。所以我們迫切需要的能夠存儲電能的清潔無汙染的物質which最好還能直接利用。答案顯而易見，燃料。燃料包括但不限於氫氣，氨氣，甲烷，甲醇，乙醇，4-8碳的烷烴等等等等。如何最大限度的利用這些能源已經研究了很多年，畢竟理論上內燃機的效率是有上限的。最好的利用方法目前看來是3.燃料電池，其化學能轉化為電能的理論上限是100%，而電動機的效率又遠高於內燃機，因此燃料電池的設計將會逐漸取代內燃機。However，除了燃料電池自身的催化劑問題要解決之外，燃料從哪裏來。化石能源總有消耗完的壹天，而且這壹天的確不遠了。其他燃料，比如氫氧燃料電池，氧氣空氣中有，氫氣怎麽辦呢，現階段大部分人工制造的氫氣來自於對甲烷的steam re-forming，這個過程消耗了極大的能量，僅提供合成氨所用到的氫氣量就占了世界能源年消耗量的1%，年二氧化碳排放量的3%。所以我們當然不能通過消耗化石能源來制備用於燃料電池的氫氣，太太太太太敗家了，石油工業可不僅僅可以提供汽油，它幾乎是所有有機合成工業原材料的提供商，而這些原材料大多現階段我們無法通過簡單的無機分子合成得到。
4.不用石油那氫氣怎麽得到，光解水或者電解水，我們有豐富的電而不能儲存。電解水就是壹個極好的儲存能源的辦法，氫氣在cathode上析出，氧氣在anode上析出，電能轉換成了化學能存儲在氫氣裏。同時，可以把電解水和太陽能電池聯合在壹起制備PEC來進行光解水，利用無處不在的太陽能分解水來儲存能源。氫氣作為氣體，自然在儲存上有很大的難題，譬如難壓縮，易燃易爆不穩定，難以釋放等等，因此以MOF和Pd材料來儲氫又是壹個新的領域。制備出來的氫氣還能做什麽呢，用來還原二氧化碳制備甲醇或者多碳醇烴，或者還原氮氣都是很好的選擇。更有甚者，直接通過水和二氧化碳在加電壓的情況下生成氧氣和醇類，這類裝置被稱為人工樹葉，可以進行人工光合作用固碳固氮，伯克利的楊培東和Yaghi都是這個領域的佼佼者。所以，當光解水技術和電催化技術成熟商業化後，還原二氧化碳的氫氣和能量可以完全來自於太陽能和水，因此不用擔心生產過成的能量轉化效率，我們只是把我們無法直接使用的無數能量存儲起來了部分而已，總歸是賺的（連帶著海水淡化技術也需要進壹步發展才行ToT）
回到這個問題本身，二氧化碳本身是我們所痛恨的溫室效應的幾個主要罪魁禍首之壹，內燃機和火電不可避免會造成大量排放二氧化碳，而所有的國家為了經濟發展不會輕易減少排放量。這時候轉化二氧化碳就顯得尤為重要了。既然有希望看到通過太陽能風能這種清潔能源轉化二氧化碳為燃料，工業給料來代替日漸稀少的化石能源，何樂而不為呢。這個領域要走的路很長很長，有人認為這是個坑，有人認為這不可能商業化，有人認為這篇文章只是小小的進展，甚至連突破都算不上，還有人說科研是拿著錢在做毫無意義的嘩眾取寵。但是妳們從第壹段的描述就應該可以看出，這個方向是目前材料科學家能想到的解決問題的最合適的方法之壹（當然生物界，地質界有自己的壹套思路），這個方法不是單獨的壹個領域，而是數十個領域疊合在壹起的研究，每壹個領域負責解決這個技術的壹部分問題，因此當妳孤立的看待每壹個領域的時候往往會覺得此研究毫無意義甚至荒謬，但當妳整體的看待這個問題，居高臨下看到整個問題的解決方法是如何壹點點被拼湊成壹個精密的龐然大物的時候，妳才會感嘆於人類智慧之光的偉大。每壹篇文章都在嘗試解決技術上的小問題，都在嘗試提供壹種解決問題的新思路，或證明，證偽其他人提出的想法。正是所有研究人員的努力和未雨綢繆，才會讓我們在面對未來可能出現的危機時不驚慌失措手忙腳亂，we always think ahead。（不過，前幾天帶實驗課和學生聊天的時候也說到，科研的優先級是肯定低於經濟發展，農業發展，軍事和教育的，壹定是先保證人類能夠存活，人民吃飽穿暖安居樂業的前提下，才合適將多余的資金大量的投入科研。而基礎科研的成果大多在很多年內都是無法直接兌換成核心競爭力和金錢的，所以川普削減了科研的funding去造邊境長城也無可厚非，畢竟全球變暖造成的毀滅可遠沒有失業率提高5個點和敵國新部署的核武器的威脅來的直接和快速，更別提希格斯粒子，暗物質引力波，宇宙微波背景輻射，癌細胞突變這些和日常生活完全不在壹個尺度上的研究）