“等離激元碳中和技術”亮相2022年全國科普日北京主場活動

《環境與生活》編輯部

9月15日—21日，由中國科學技術協會、科技部、生態環境部等18個部委主辦的2022年全國科普日主場活動在中國科學技術館舉行，本次活動主題為“喜迎二十大，科普向未來”，包括“喜迎黨的二十大，奮楫揚帆新征程”“科普托起強國夢，十年砥礪鑄輝煌”“新時代科普實踐，創新賦能書華章”“科普事業新發展，賡續奮斗向未來”四個部分。

由中國環境科學學會和北京光合新能科技有限公司聯合制作的“等離激元碳中和技術”展項入選了本次活動。據現場的工作人員介紹，“等離激元碳中和技術”展項，旨在以“全國科普日”為契機，讓公眾了解“雙碳”相關前沿技術，激發公眾尤其是青少年崇尚科學、探索未知，敢于創新的熱情。

等離激元碳中和技術

“哇，這是什么呀？怎么還有煙？”“它怎么還會閃？”在等離激元碳中和展臺“等離激元碳中和技術”展項迎來了許多好奇而來的小觀眾。首先映入人們眼簾的便是擺放在正前方的沙盤模型。展品左側從上至下擺放著太陽，二氧化碳和水的模型，小朋友們按照講解員的指引，依次按下左側代表三個物質的開關，當三個開關全部啟動后，連接這三個模型的燈光開始流動，跟隨燈光的指引，太陽光作為驅動能源，二氧化碳和水作為反應原料，被輸送到展臺中部的人工光合反應器中，在內部納米級等離激元催化劑的作用下，聚焦增強的能量使二氧化碳（CO2）和水（H2O）分解，生成碳中和燃氣（CH4）的同時釋放出氧氣（O2）。展臺上方的放大模型展示出反應器的內部剖面結構，在這里，可以更加直觀地了解到等離激元催化劑的形態和構造。通過燈帶的示意，模擬出局域等離激元效應激發時的能量聚焦現象，生動地闡釋了等離激元增強催化的科學原理。

等離激元碳中和技術可以利用二氧化碳來生產甲烷——就是我們常常聽到的天然氣，也是我們在家里做飯、取暖所用到的燃氣。由于這里的甲烷是由大氣或工業排放中的二氧化碳人工合成的，而不是從地下挖掘取得，因此是一種碳中和的綠色燃料。沙盤右側通過一組建筑模型來展示這項碳中和前沿技術的完整應用場景?；痣姀S利用燃氣產生的熱量做功推動汽輪機發電，在這一過程中會排放二氧化碳。等離激元反應裝置捕集這些二氧化碳，避免這種溫室氣體進入大氣對氣候造成危害，并加入水將它們轉變為燃氣。燃氣可以繼續充當火電廠的燃料進行發電，或者通過市政管道進入千家萬戶，供人們炒菜做飯、燒水取暖，滿足居民的日常生活所需，從而實現能源供應的零碳綠色循環。

等離激元碳中和技術實際上是對于表面等離激元這個微觀物理現象的應用。表面等離激元是自由光子與金屬表面電子相干震蕩所形成的獨特電磁模式，即光與金屬納米粒子相互作用能夠在納米尺度范圍聚焦很強的電磁能量，突破了傳統光學中的衍射極限?？茖W家們通過對材料進行納米和原子級的結構設計，實現局部等離激元作用（納米結構的光自聚焦效應），好似微型透鏡，聚焦光或熱輻射的能量，增強納米催化劑的催化能力。

為方便大家理解目前最前沿的“等離激元增強催化技術”，展方還特意制作了視頻來幫助大家理解人工光合作用是如何實現的。片中介紹了光合新能的反應器模型以及由其自主研發的催化劑，其中灰色的球型結構為催化劑，表面的黃色亮點代表的單原子級活性金屬分散鑲嵌在催化劑表面形成了原子級結構。在動畫演示中我們看到，等離激元催化劑通過吸收可見光及紅外輻射等能量，使能量聚焦于催化劑表面并產生共振，橙黃色金屬位點逐漸發光閃爍，呈現了這一發生在催化劑表面的局域能量增強的特性。等離激元聚焦的能量將二氧化碳和水分子的化學鍵分解打開，其中的碳、氫、氧原子在催化劑表面重新組合，從而產生了甲烷（CH4）和氧氣（O2）。在這個反應中，等離激元納米催化劑充當了葉綠素的角色，復制了植物的光合作用過程。

等離激元催化技術的研究和應用得到了政府層面的重視和支持。2022 年，科技部公布了《“催化科學”重點專項 2022 年度項目申報指南（征求意見稿）》。在碳達峰碳中和的大背景下，“催化科學”在眾多研究領域中引起了高度關注，特別是《征求意見稿》首次提到“表面等離激元催化”技術?！墩髑笠庖姼濉访鞔_，“表面等離激元催化”研究領域包括，發展結構可控的表面等離激元催化劑，認識納米結構與光子相互作用的本質，探索電磁場熱點的光熱和光電協同催化機理；利用時空分辨等先進表征技術，揭示局域光場、電場、電荷富集和催化活性位點之間的內在聯系以及等離激元的動態馳豫機制，提出電荷分離新策略，聚焦重要等離激元誘導的催化反應，實現高效等離激元催化體系理性設計。

科學技術創新是把“雙碳”納入生態文明建設整體布局和經濟社會發展全局的重要支撐保障。綠色低碳領域的革命性技術，不僅可以加速“雙碳”進程，還可以轉化為生態文明建設和高質量發展的不竭動力。為深入貫徹落實黨中央國務院關于碳達峰碳中和的重大決策部署，2022年8月，由科技部、國家發展改革委、工業和信息化部等9部門也印發了《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》，保障我國順利實現碳達峰目標，同時為碳中和的實現做好技術研發儲備。

等離激元人工光合技術可以作為治碳制能技術，將二氧化碳轉化為能源，做到了變廢為寶，掣肘變共贏，將劣勢變優勢，輕松破解氣候變化和能源枯竭魔咒，氣候變化與能源枯竭由雙輸變雙贏。不僅解決了二氧化碳的排放問題，同時對于新產生的二氧化碳也不再是負擔，可以采用該技術繼續將二氧化碳直接轉化為能源，開辟了新的二氧化碳減排和制能的路線。在“3060”政策驅動下，全社會將為碳中和目標開展大規模減碳行動，等離激元人工光合技術可以在不影響發展和生產的同時，直接減少二氧化碳的排放，為實現雙碳目標提供動力和保證。

能源環境問題是當今人類面臨的巨大挑戰，我國的能源環境困境更是世界上少有，油氣資源短缺和二氧化碳排放是我國綠色高質量發展瓶頸，已經成為威脅中華民族永續發展的一個重大問題。而等離激元碳中和技術是破解我國能源環境困境的核心力量，該技術有利于推動綠色循環低碳發展，有利于推進能源革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系。這一顛覆性前沿技術為從根本上破解能源環境困境帶來了希望與可能。