化石燃料是全球石化工业的支柱，为全球不断增长的人口提供燃料、塑料、服装、化肥等。近日发表在《科学》杂志上的一篇新研究论文为替代技术——可再生电合成——如何引领一个更可持续的化学工业指明了方向，并最终使我们能够在地下留下更多的石油和天然气。
菲尔·德·鲁纳(Phil De Luna)是该论文的第一作者。他在多伦多大学(University of Toronto Engineering)的研究涉及设计和测试电合成催化剂，去年11月，他被列入《福布斯》(Forbes) 30位30岁以下能源领域创新者名单。他和他的导师Ted Sargent教授与来自斯坦福大学和道达尔美国服务公司的一个国际研究团队合作完成了这篇论文。
《纽约大学工程新闻》采访了菲尔·德·鲁纳，进一步了解可再生电合成如何将“石油”从石化产品中分离出来。
你能描述一下你想要解决的挑战吗?
我们的社会对化石燃料上瘾——从手机里的塑料到衣服里的合成纤维，化石燃料无处不在。世界人口的增长和生活水平的提高，每年都在推高需求。
改变这一体系需要大规模的全球变革。在某些领域，我们有替代品——例如，电动汽车可以取代内燃机。可再生电合成技术也可以为石油化工行业做类似的事情。
什么是可再生电合成?
想想石油化工行业的做法:它需要重的长链碳分子，并使用高热量和高压将它们分解成基本的化学构件。然后，这些基本的化学构件被重新组合成塑料、肥料、纤维等。
想象一下，如果不使用化石燃料，你可以使用空气中的二氧化碳，而不是在高温高压下进行反应，你可以在室温下用创新的催化剂和来自可再生能源的电力，如太阳能或水力发电来制造化学构件，这就是可再生电合成。
一旦我们进行了最初的改造，化学构件就会与我们现有的基础设施相适应，产品的质量不会发生变化。如果你做得对，整个过程是碳中性的，甚至是负碳的。
电合成的优点是什么?
其优点是速度和吞吐量。植物很擅长将二氧化碳转化为物质，但它们也会将能量用于新陈代谢和繁殖，所以效率不高。种植一吨可用木材可能需要10到15年的时间。电合成就像把5万棵树的二氧化碳捕获和转化能力放进一个冰箱大小的盒子里。
我们今天为什么不这样做呢?
归根结底是成本。你需要证明，通过电合成制造化学构件的成本与用传统方法生产它的成本是一样的。
目前有一些有限的应用。例如，用于升级重油的大部分氢气来自天然气，但现在通过电解产生氢气只有约4％（电力将水分解成氢气和氧气）。在未来，我们可以为碳基构建做类似的事情。
你的分析发现了什么?
我们确定有两个主要因素:一是电力本身的成本，二是电-化学转换效率。
为了与传统方法竞争，电力每千瓦时的成本需要低于4美分，而电-化学转换效率需要达到60%或更高。
我们离目标有多近?
在世界上有些地方，太阳能的可再生能源每千瓦时的成本仅为2到3美分。即使在像魁北克这样水力资源丰富的地方，每年也会有电价为负的时候，因为没有办法储存电能。因此，从经济潜力的角度来看，我认为我们在一些地区已经接近成功。
设计能够提高电化学转化效率的催化剂是比较困难的，这也是我在论文中所做的。对于乙烯，我所见过的最好的效率是35%，但是对于其他的建筑材料，比如一氧化碳，我们接近50%。
当然，所有这些都是在实验室里完成的——要将其扩大到每天生产数千吨的工厂，难度要大得多。但我认为有一些应用程序显现了前景。
你能举个再生电合成的例子吗?
以乙烯为例，它是世界上产量最大的石化产品。理论上，你可以用空气中的二氧化碳或废气管制造乙烯——使用可再生电力和合适的催化剂。你可以把乙烯卖给塑料制造商，他们会把乙烯做成塑料袋或草坪椅之类的东西。
在它生命的最后，你可以焚烧这种塑料——或者任何其他碳密集型的废物——捕获二氧化碳，然后重新开始这个过程。换句话说，你已经关闭了碳循环，不再需要化石燃料。
你认为未来研究的重点应该是什么?
我刚刚在加拿大国家研究委员会担任了清洁能源材料挑战项目的项目主任。我正在建立一个2100万美元的合作研究项目，所以这是我经常思考的事情!
我们目前的目标是现有石化供应链中可以很容易转化为电合成的部分。我上面提到的例子，就是利用电解生产氢气用于石油和天然气的升级。
另一个好的目标是一氧化碳，今天主要是由燃烧煤炭产生的。我们知道如何通过电合成来制造它，所以如果我们能提高效率，那将是一种速溶溶液。
可再生电合成技术如何适应减少排放和应对气候变化的战略?
我们需要可回收的建筑材料，我们需要更高效的led照明，我们需要更好的太阳能电池和电池。但是，即使明天电网和交通网络的排放量降至零，这对石化行业也没有任何帮助，因为我们每天使用的许多产品都是由石化行业供应的。如果我们能从供应链的部分供电开始，这是建立替代系统的第一步。
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