“等离激元碳中和技术”亮相2022年全国科普日北京主场活动

《环境与生活》编辑部

9月15日—21日，由中国科学技术协会、科技部、生态环境部等18个部委主办的2022年全国科普日主场活动在中国科学技术馆举行，本次活动主题为“喜迎二十大，科普向未来”，包括“喜迎党的二十大，奋楫扬帆新征程”“科普托起强国梦，十年砥砺铸辉煌”“新时代科普实践，创新赋能书华章”“科普事业新发展，赓续奋斗向未来”四个部分。

由中国环境科学学会和北京光合新能科技有限公司联合制作的“等离激元碳中和技术”展项入选了本次活动。据现场的工作人员介绍，“等离激元碳中和技术”展项，旨在以“全国科普日”为契机，让公众了解“双碳”相关前沿技术，激发公众尤其是青少年崇尚科学、探索未知，敢于创新的热情。

等离激元碳中和技术

“哇，这是什么呀？怎么还有烟？”“它怎么还会闪？”在等离激元碳中和展台“等离激元碳中和技术”展项迎来了许多好奇而来的小观众。首先映入人们眼帘的便是摆放在正前方的沙盘模型。展品左侧从上至下摆放着太阳，二氧化碳和水的模型，小朋友们按照讲解员的指引，依次按下左侧代表三个物质的开关，当三个开关全部启动后，連接这三个模型的灯光开始流动，跟随灯光的指引，太阳光作为驱动能源，二氧化碳和水作为反应原料，被输送到展台中部的人工光合反应器中，在内部纳米级等离激元催化剂的作用下，聚焦增强的能量使二氧化碳（CO2）和水（H2O）分解，生成碳中和燃气（CH4）的同时释放出氧气（O2）。展台上方的放大模型展示出反应器的内部剖面结构，在这里，可以更加直观地了解到等离激元催化剂的形态和构造。通过灯带的示意，模拟出局域等离激元效应激发时的能量聚焦现象，生动地阐释了等离激元增强催化的科学原理。

等离激元碳中和技术可以利用二氧化碳来生产甲烷——就是我们常常听到的天然气，也是我们在家里做饭、取暖所用到的燃气。由于这里的甲烷是由大气或工业排放中的二氧化碳人工合成的，而不是从地下挖掘取得，因此是一种碳中和的绿色燃料。沙盘右侧通过一组建筑模型来展示这项碳中和前沿技术的完整应用场景。火电厂利用燃气产生的热量做功推动汽轮机发电，在这一过程中会排放二氧化碳。等离激元反应装置捕集这些二氧化碳，避免这种温室气体进入大气对气候造成危害，并加入水将它们转变为燃气。燃气可以继续充当火电厂的燃料进行发电，或者通过市政管道进入千家万户，供人们炒菜做饭、烧水取暖，满足居民的日常生活所需，从而实现能源供应的零碳绿色循环。

等离激元碳中和技术实际上是对于表面等离激元这个微观物理现象的应用。表面等离激元是自由光子与金属表面电子相干震荡所形成的独特电磁模式，即光与金属纳米粒子相互作用能够在纳米尺度范围聚焦很强的电磁能量，突破了传统光学中的衍射极限。科学家们通过对材料进行纳米和原子级的结构设计，实现局部等离激元作用（纳米结构的光自聚焦效应），好似微型透镜，聚焦光或热辐射的能量，增强纳米催化剂的催化能力。

为方便大家理解目前最前沿的“等离激元增强催化技术”，展方还特意制作了视频来帮助大家理解人工光合作用是如何实现的。片中介绍了光合新能的反应器模型以及由其自主研发的催化剂，其中灰色的球型结构为催化剂，表面的黄色亮点代表的单原子级活性金属分散镶嵌在催化剂表面形成了原子级结构。在动画演示中我们看到，等离激元催化剂通过吸收可见光及红外辐射等能量，使能量聚焦于催化剂表面并产生共振，橙黄色金属位点逐渐发光闪烁，呈现了这一发生在催化剂表面的局域能量增强的特性。等离激元聚焦的能量将二氧化碳和水分子的化学键分解打开，其中的碳、氢、氧原子在催化剂表面重新组合，从而产生了甲烷（CH4）和氧气（O2）。在这个反应中，等离激元纳米催化剂充当了叶绿素的角色，复制了植物的光合作用过程。

等离激元催化技术的研究和应用得到了政府层面的重视和支持。2022 年，科技部公布了《“催化科学”重点专项 2022 年度项目申报指南（征求意见稿）》。在碳达峰碳中和的大背景下，“催化科学”在众多研究领域中引起了高度关注，特别是《征求意见稿》首次提到“表面等离激元催化”技术。《征求意见稿》明确，“表面等离激元催化”研究领域包括，发展结构可控的表面等离激元催化剂，认识纳米结构与光子相互作用的本质，探索电磁场热点的光热和光电协同催化机理；利用时空分辨等先进表征技术，揭示局域光场、电场、电荷富集和催化活性位点之间的内在联系以及等离激元的动态驰豫机制，提出电荷分离新策略，聚焦重要等离激元诱导的催化反应，实现高效等离激元催化体系理性设计。

科学技术创新是把“双碳”纳入生态文明建设整体布局和经济社会发展全局的重要支撑保障。绿色低碳领域的革命性技术，不仅可以加速“双碳”进程，还可以转化为生态文明建设和高质量发展的不竭动力。为深入贯彻落实党中央国务院关于碳达峰碳中和的重大决策部署，2022年8月，由科技部、国家发展改革委、工业和信息化部等9部门也印发了《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》，保障我国顺利实现碳达峰目标，同时为碳中和的实现做好技术研发储备。

等离激元人工光合技术可以作为治碳制能技术，将二氧化碳转化为能源，做到了变废为宝，掣肘变共赢，将劣势变优势，轻松破解气候变化和能源枯竭魔咒，气候变化与能源枯竭由双输变双赢。不仅解决了二氧化碳的排放问题，同时对于新产生的二氧化碳也不再是负担，可以采用该技术继续将二氧化碳直接转化为能源，开辟了新的二氧化碳减排和制能的路线。在“3060”政策驱动下，全社会将为碳中和目标开展大规模减碳行动，等离激元人工光合技术可以在不影响发展和生产的同时，直接减少二氧化碳的排放，为实现双碳目标提供动力和保证。

能源环境问题是当今人类面临的巨大挑战，我国的能源环境困境更是世界上少有，油气资源短缺和二氧化碳排放是我国绿色高质量发展瓶颈，已经成为威胁中华民族永续发展的一个重大问题。而等离激元碳中和技术是破解我国能源环境困境的核心力量，该技术有利于推动绿色循环低碳发展，有利于推进能源革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。这一颠覆性前沿技术为从根本上破解能源环境困境带来了希望与可能。