什麼是電化學，為何它對綠色能源的未來如此重要？——華爾街日報
Ed Ballard
薩迪婭·卡比爾仍記得初次接觸電化學這門學科時的情景——這個科學分支揭示了化學反應如何產生電力，以及電力又如何激發化學反應。她完全被迷住了。“這對我來説簡直不可思議，“她説。
高中時的痴迷最終成為了職業追求。如今，獲得納米材料電化學特性博士學位的卡比爾博士就職於初創企業Twelve，該公司正通過電化學工藝將捕獲的二氧化碳轉化為大宗化學品。
得益於綠色科技投資的蓬勃發展，電化學正成為日益炙手可熱的領域。它不僅是改進電池技術的關鍵，還可能支撐不依賴化石燃料的工業流程，並助力解決能源轉型中的其他挑戰。
電化學系統已有數百年曆史。但電化學家表示，該領域長期被視為冷門學科。傳統化學教育主要培養適應化石燃料經濟的人才，而生物化學等領域往往被認為更具吸引力。
如今，在材料科學進步的推動下，這種情況正在改變。電化學從業者表示，該領域正瀰漫着互聯網誕生初期的氛圍——投資者更加關注，高校與產業界建立更緊密聯繫。初創企業紛紛掛出"高薪招聘電化學家"的告示。
“政府、高校和企業都表現出濃厚興趣，“卡比爾女士説道。
倫敦大學學院電化學工程教授丹·佈雷特表示，世界正在進入"電化學能源時代”。
以下是電化學將在綠色能源未來中發揮作用的幾種方式。
電池
一個大幅減少化石燃料使用的經濟體將需要大量電池來儲存間歇性的風能和太陽能，以備需要時使用，併為電動汽車提供動力。電化學是開發更好電池以應對這一需求的核心，因為電池儲存化學能，並通過化學反應將其轉化為電能，這些反應會產生電子從一種材料流向另一種材料的流動。
“電化學是能源轉型的關鍵，因為它是儲能的基礎原理，“早期清潔技術投資公司At One Ventures的合夥人勞裏·梅努德説。“如果儲能像現在這樣昂貴且低效，轉型要麼會很慢，要麼根本不會發生。”
電池製造商正在競相研究如何以更低的成本製造電池，以及如何製造壽命更長、充電更快的電池。這涉及測試不同化學催化劑材料的各種組合。
許多電池製造商專注於改進已經用於個人電子產品、電動汽車和電網的鋰離子電池。其他公司正在研究鐵等比鋰更豐富、更便宜的材料，以製造可以儲存能量更長時間的電池。
對更優質電池的探索包括：確定單個電化學電池陽極和陰極中使用的最佳導電材料，選擇促進反應的合適化學催化劑，以及如何通過組合多個電池構建高效系統。這一過程同樣支撐着電化學系統的其他創新，這些系統針對不同應用採用不同的材料組合。
氫能
該領域的進步對於推動氫能成為廣泛使用的綠色燃料至關重要。
目前氫能主要應用於石油精煉和制氨（多種化肥的原料），但正被廣泛推廣作為工業流程中的低碳燃料。
傳統制氫方式是通過高污染工藝加熱天然氣（氫的天然存在形式之一）。但也可採用零排放方式：利用名為電解槽的設備，使可再生能源電力通過水，將水分解為氧氣和氫氣。
與電池類似，電解槽並非新發明。但其成本尚未像鋰離子電池那樣受益於多年大規模生產。隨着工業企業和清潔技術投資者將綠色氫能視為工業脱碳途徑，對能提升電解槽效率的電化學專家的爭奪日趨激烈。
電解槽製造商Nel Hydrogen研發副總裁凱西·艾爾斯表示：“近期參加的每個會議上，幾乎每位演講者都會説’我們正在招聘！’。當前這些技術領域對科學家和工程師的招聘確實出現了爆發式增長。”
作為一種燃料，氫能可以成為石油、天然氣或煤炭的無污染替代品。它還可用於發電。
通過類似電解的逆反應過程，氫燃料電池使氫與氧結合產生電能，並副產水。亞馬遜是押注這種電池替代方案的企業之一。該公司去年表示，計劃到2025年在100個物流中心部署2萬輛氫燃料電池驅動的叉車。
薩迪婭·卡比爾在高中時就對電化學着迷，現在她為初創公司Twelve工作，該公司採用電化學工藝將捕獲的二氧化碳轉化為大宗化學品。圖片來源：《華爾街日報》的傑森·亨利### 化學品
除水之外的其他化合物也可以通過電解分解成其組成成分。這帶來了新的可能性。
Twelve公司正在利用電解將二氧化碳分解為氧氣和一氧化碳，後者作為大宗化學品是塑料、塗料、燃料等產品的基礎原料。
該公司去年籌集了1.3億美元風險投資以實現其技術商業化。這一步驟取決於該公司能否優化其化學工藝並擴大系統規模，從而將大量二氧化碳轉化為產品。
碳捕集
要實現商業規模的二氧化碳轉化，需要捕獲大量二氧化碳——這帶來了一個問題。目前的碳捕集方法效率太低，無法大規模部署。電化學在這方面也能發揮作用。
碳捕集設備通常的工作原理是讓環境空氣或發電廠、工廠排放的廢氣與一種能選擇性吸附二氧化碳分子的化學物質接觸。該過程效率較低，因為需要消耗大量能量（通常以熱能形式）來釋放分離出的二氧化碳，以便其能被利用或封存。
由麻省理工學院化學工程師創立的初創公司Verdox聲稱，他們開發出了一種效率高得多的方法。
在Verdox的系統中，空氣或廢氣通過電化學電池。當施加特定電壓時，電池中的電極被激活並與二氧化碳結合，而其他氣體則逸出。當施加另一種電壓時，系統會釋放二氧化碳以供使用或封存。
巴拉德先生是《華爾街日報》駐倫敦記者，同時擔任WSJ氣候與能源通訊編輯。聯繫方式：[email protected]。