太陽能驅動反應器：實現零碳排航空燃料的新希望

隨著能源需求不斷攀升，以及燃燒化石燃料所帶來的環境問題日益嚴重，人們對於太陽能等永續能源的興趣也隨之增加。然而，在某些領域，如航空業，碳基燃料仍然是主流。為瞭解決這一需求，科學家們正致力於開發一種利用太陽能產生太陽熱能的方法，以驅動製造零碳排航空燃料所需的化學反應。

最近，隸屬於美國能源部「液態陽光聯盟」（LiSA）的加州理工學院團隊，成功開發出一套小型太陽熱能加熱系統，並證明其能夠有效驅動航空燃料生產中的關鍵反應。這套名為「光熱催化反應器」的裝置完全由太陽能驅動，並採用光譜選擇性太陽能吸收器，以最大化太陽熱能的生成。其模組化設計充分利用了現有的製造技術和矽基太陽能板生產基礎設施。

該團隊已成功在實驗室規模下運作這套反應器，模擬結果顯示，這項技術具有擴充套件至商業化矽基薄膜技術規模的潛力。加州理工學院應用物理與材料科學教授、LiSA主任Harry Atwater表示：「這項裝置證明瞭豐富的太陽能所產生的熱能，可以直接驅動催化過程，而這些過程通常需要依賴電力或化石燃料。」

這項研究發表在《Device》期刊上，主要作者Magel P. Su博士在Atwater實驗室攻讀博士期間，設計並製造了這套太陽能吸收器。該反應器採用了多層設計的選擇性太陽能吸收器，目的是盡可能捕捉太陽光譜，同時減少熱能散失。加州理工學院Kavli奈米科學研究所博士後研究員Aisulu Aitbekova解釋道：「單一材料很難實現這一目標，因此我們選擇了多層堆疊設計。」

該團隊開發了一種由矽、鍺和金等材料組成的多層堆疊結構，這些材料被精心沉積在銀基板上。Aitbekova表示：「每一層都有其特定功能，但當它們結合在一起時，就能產生我們所需的輸出。」

在這套系統中，頂部的石英窗允許光線照射到太陽能吸收器上，真空層則有助於減少熱能損失，而太陽能吸收器位於底部，直接與化學反應器接觸。這套選擇性太陽能吸收器在單一太陽光照下，最高可達到249°C的溫度，而在環境操作條件下（25°C，1大氣壓）則可達到130°C。

該團隊利用生成的太陽熱能驅動乙烯寡聚化反應，這是一種傳統上依賴化石燃料燃燒所產生的熱能進行的化學反應。乙烯寡聚化反應以乙烯（C₂H₄）為起點，這種碳氫化合物由兩個碳原子透過雙鍵連線，可用於製造更長的碳氫鏈，即烯烴，其特徵是仍然保留碳-碳雙鍵。

航空燃料包含多種碳氫鏈，碳原子數量從7到26不等。在這篇新論文中，加州理工學院的科學家們成功利用太陽能作為唯一驅動力，製造出具有相同碳原子範圍的液態烯烴產品。

與聚光太陽能技術不同，這套反應器不需要太陽追蹤系統。太陽追蹤系統可以讓太陽能收集器、反射器或光伏板在白天跟隨太陽移動，以最大化吸收太陽輻射。然而，太陽追蹤系統的成本高於固定角度和方向的裝置。Aitbekova表示：「我們並不與聚光太陽能技術競爭，後者可以達到2,700個太陽的強度。我們正在尋找一種互補技術，可以在聚光太陽能不可行的地區使用。」

在這篇論文中，團隊以乙烯為起點，而乙烯目前仍依賴化石燃料生產。但Aitbekova指出，LiSA團隊最近發表了另一篇論文，展示瞭如何利用二氧化碳（CO₂）、水和陽光製造乙烯。「因此，我們現在展示了兩個步驟：首先，我們使用CO₂、水和陽光製造乙烯，然後進行乙烯寡聚化。而太陽能是系統中唯一的能量輸入。」