針對當(dāng)今人類面臨的嚴峻能源挑戰(zhàn)，化學(xué)家們在想些什么、做些什么？來自中、美、英、德、日等5個國家太陽能領(lǐng)域的一流科學(xué)家，去年在德國召開了第一屆化學(xué)科學(xué)與社會研討會（CS3），并于前不久發(fā)布了《用陽光驅(qū)動世界》白皮書?？茖W(xué)家針對大規(guī)模利用太陽能所面臨的關(guān)鍵問題，提出了創(chuàng)新性的解決思路，這對于引領(lǐng)世界太陽能研究、推動太陽能技術(shù)進步具有重要意義。自今日起刊登“太陽能驅(qū)動世界”系列報道，與讀者分享世界頂級科學(xué)家們集體智慧的結(jié)晶。

    科學(xué)家們估算，如果人類繼續(xù)以現(xiàn)有的方式使用能源，到2050年全球總能量消耗將在現(xiàn)有水平翻一番以上?！队藐柟怛?qū)動世界》白皮書強調(diào)，化石燃料是一種不可持續(xù)的資源，而太陽能已被公認為是最具潛力的替代能源，太陽每小時向地球提供的能量比全世界一年所消耗的能量還要多。我們今天所面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)是：如何使太陽能利用滿足人類的需要？

    國際化學(xué)界在尋求用太陽能來解決21世紀全球能源問題時發(fā)出了自己的聲音。

    太陽能利用核心在化學(xué)

    為了推動利用太陽能解決全球能源危機的國際合作和開創(chuàng)新思維，來自中、德、美、英、日等5個國家化學(xué)會的30位頂級科學(xué)家在去年召開的第一屆化學(xué)科學(xué)與社會研討會（CS3）上，將焦點集中于幾個問題：怎樣才能獲得人類所需規(guī)模的太陽能？如何轉(zhuǎn)化和儲存太陽能？用太陽能滿足世界能源需求必須解決的最緊迫問題是什么？

    在CS3研討基礎(chǔ)上形成的白皮書指出：化學(xué)在認識太陽能的潛力方面將扮演核心角色。因為能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，幾乎都涉及到化學(xué)反應(yīng)。要想用經(jīng)濟可行且可持續(xù)的方法開發(fā)驅(qū)動這些化學(xué)反應(yīng)的新材料和新工藝，首先要在分子水平上理解這些化學(xué)反應(yīng)。

    投資化學(xué)就是投資未來

    對上述問題的深入探討，使科學(xué)家們形成了這樣的共識：

    首先，今天的科學(xué)就是明天的技術(shù)。對于能源問題沒有最佳的單一解決辦法，科學(xué)家與社會應(yīng)該共同探索下一代可選擇的各種能源，尋求一個經(jīng)濟上可行且可持續(xù)的解決辦法。由于提前預(yù)測科學(xué)突破或者判斷今天我們探索的技術(shù)在未來是否先進是困難的，因此不應(yīng)對科學(xué)研究預(yù)設(shè)前提。

    其次，人類對化學(xué)的投資就是對未來發(fā)展的投資。要確認太陽能的潛力，必須制定一個有效的化學(xué)基礎(chǔ)研究計劃。新材料的發(fā)現(xiàn)和新工藝的設(shè)計，對于促使太陽能發(fā)展成為人類可以大規(guī)模應(yīng)用的能源是必不可少的工作。

    再次，今天化學(xué)專業(yè)的學(xué)生就是明天的能源科學(xué)家。人類社會需要新一代能源科學(xué)家不懈探索，開辟在太陽能俘獲、轉(zhuǎn)化和儲存方面的創(chuàng)新途徑。因此開發(fā)可大規(guī)模使用太陽能的技術(shù)需要長期的努力，應(yīng)鼓勵年輕人在更寬廣的范圍內(nèi)，關(guān)注開發(fā)太陽能過程中所面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)。

    開發(fā)用得起的太陽能技術(shù)

    硅基光伏（PV）電池目前是利用太陽能的最普遍方法，但純硅片的昂貴成本限制了它的廣泛使用。無論多么有效的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，只有在成本可承受的情況下才可能推廣應(yīng)用。白皮書發(fā)布的內(nèi)容顯示，對于開發(fā)有效且經(jīng)濟上可行的太陽能技術(shù)，科學(xué)家提出了優(yōu)先研究目標(biāo)。

    目標(biāo)一：把太陽能變?yōu)榛瘜W(xué)燃料這里指的是模擬自然界中植物光合作用的人工光合成，把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，化學(xué)家們必須開發(fā)并商業(yè)化生產(chǎn)出用于人工光合成的兩個主要工藝過程――光解水和CO2還原的化學(xué)催化劑，這種催化劑必須是以地球上資源豐富且價廉的材料為原料。同時，采用不需要外部犧牲電子給體的方式，把光解水和CO2還原結(jié)合起來，創(chuàng)制出“人工樹葉”。

    目標(biāo)二：獲得已存在于自然界的太陽能這一目標(biāo)是指通過非農(nóng)作物生物質(zhì)把自然界轉(zhuǎn)化到植物中的太陽能，間接地提取出來，變成生物燃料。要完成這一目標(biāo)，化學(xué)家們必須開發(fā)出能用來創(chuàng)制更多生物質(zhì)的生物化學(xué)方法；同時開發(fā)出能夠改善生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率的催化過程。

    目標(biāo)三：把太陽能轉(zhuǎn)化為電能生產(chǎn)成本過高限制了將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的PV電池的廣泛應(yīng)用。要普及PV電池，化學(xué)家們必須開發(fā)出低成本、無毒、地球上儲量豐富的下一代PV材料。

    目標(biāo)四：儲存新收集和轉(zhuǎn)化的太陽能在利用太陽能的過程中，人們不僅需要將太陽能轉(zhuǎn)化為其他形式的能源，還需要開發(fā)將轉(zhuǎn)化后的能源儲存起來以備使用的系統(tǒng)，這是一個高難度的課題。在構(gòu)建低成本、可持續(xù)發(fā)展的太陽能儲存系統(tǒng)之前，化學(xué)家們必須開發(fā)出低成本、以地球上高豐度元素制備、可用于構(gòu)建太陽能轉(zhuǎn)換和儲存系統(tǒng)的新型催化劑和材料。