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

    科學家們估算，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?！队藐柟怛寗邮澜纭钒灼鴱娬{，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挑戰(zhàn)是：如何使太陽能利用滿足人類的需要？

    國際化學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

    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個國家化學會的30位頂級科學家在去年召開的第一屆化學科學與社會研討會（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研討基礎上形成的白皮書指出：化學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化為另一種形式，幾乎都涉及到化學反應。要想用經濟可行且可持續(xù)的方法開發(fā)驅動這些化學反應的新材料和新工藝，首先要在分子水平上理解這些化學反應。

    投資化學就是投資未來

    對上述問題的深入探討，使科學家們形成了這樣的共識：

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

    其次，人類對化學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基礎研究計劃。新材料的發(fā)現(xiàn)和新工藝的設計，對于促使太陽能發(fā)展成為人類可以大規(guī)模應用的能源是必不可少的工作。

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

    開發(fā)用得起的太陽能技術

    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換技術，只有在成本可承受的情況下才可能推廣應用。白皮書發(fā)布的內容顯示，對于開發(fā)有效且經濟上可行的太陽能技術，科學家提出了優(yōu)先研究目標。

    目標一：把太陽能變?yōu)榛瘜W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，把太陽能轉化為化學能。要實現(xiàn)這一目標，化學家們必須開發(fā)并商業(yè)化生產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還原結合起來，創(chuàng)制出“人工樹葉”。

    目標二：獲得已存在于自然界的太陽能這一目標是指通過非農作物生物質把自然界轉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，化學家們必須開發(fā)出能用來創(chuàng)制更多生物質的生物化學方法；同時開發(fā)出能夠改善生物質轉化效率的催化過程。

    目標三：把太陽能轉化為電能生產成本過高限制了將太陽能直接轉化為電能的PV電池的廣泛應用。要普及PV電池，化學家們必須開發(fā)出低成本、無毒、地球上儲量豐富的下一代PV材料。

    目標四：儲存新收集和轉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化為其他形式的能源，還需要開發(fā)將轉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。在構建低成本、可持續(xù)發(fā)展的太陽能儲存系統(tǒng)之前，化學家們必須開發(fā)出低成本、以地球上高豐度元素制備、可用于構建太陽能轉換和儲存系統(tǒng)的新型催化劑和材料。