在20世紀90年代，普林斯頓大學的一名研究生林超（音譯）決定將二氧化碳鼓入一個電化學電池中。他使用由鈀元素製成的陰極和一種名為吡啶鎓的催化劑——一種石油精煉的常見副產物——發現施加電流可以將二氧化碳組裝成甲醇。他在1994年發表了他的研究結果，但沒有人關注。
但到了2003年，在普林斯頓化學家安德魯·博卡斯利的實驗室裡，林的繼任者對尋找解決日益嚴重的二氧化碳汙染導致全球氣候變化的問題產生了濃厚的興趣。研究生艾米麗·巴頓接替了他的工作，使用一個電化學電池，該電池的一個電極採用了光伏太陽能電池中使用的半導體材料，成功地利用陽光將二氧化碳轉化為基本燃料。
博卡斯利說：“10年前的主流觀點是，我們應該掩埋二氧化碳。但是，如果能有效地將其轉化為我們不必花費大量資金和能源將其放入地下的東西，比如回收它，那會更好。我們提取二氧化碳、水、陽光和適當的催化劑，然後生成醇類燃料。”
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他補充道：“我們這裡並沒有什麼高明的見解，我們只是有一些運氣。”風險投資家們現在正試圖透過一家名為Liquid Light的初創公司將這種運氣轉化為現金流。
將二氧化碳轉化為燃料正是光合作用生物數十億年來一直在做的事情，儘管它們的燃料往往是食物，比如糖。現在，人類正試圖透過將二氧化碳和氫氣製成液體燃料來儲存陽光中的能量——這有望回收二氧化碳排放並減緩大氣中溫室氣體的快速積累。美國高階研究計劃署–能源（ARPA–e）的負責人阿倫·馬朱達爾在三月份的一次會議上解釋說，“你可以利用電力，將二氧化碳和氫氣結合，製成汽油。這就像一石四鳥”，即能源安全、氣候變化、聯邦赤字以及潛在的失業問題。
科羅拉多大學博爾德分校的化學工程師艾倫·韋默正在研究這種太陽能燃料發電機，他認為，“當這些新技術商業化時，這些工作最終都會在美國產生。”美國空軍科學研究辦公室的化學家邁克爾·伯曼補充道，該辦公室正在資助太陽能燃料（包括博卡斯利的研究）的可能性研究：“國家和空軍都需要安全和可持續的能源來源......既然太陽為我們提供了足夠的能量，我們的目標是使用二氧化碳和陽光（可能還有水）作為原料來製造燃料，這種化學燃料可以將太陽的能量以我們可以在需要時使用的方式儲存起來。”
事實上，將二氧化碳轉化為碳氫化合物燃料的問題不在於轉化本身——至少有三種潛在的方法可以使用陽光來實現，以及一種使用高壓和高溫的方法，即所謂的費託合成（目前正在使用）——而在於所涉及的巨大成本。博卡斯利說：“將二氧化碳轉化為甲醇是一個艱苦的過程。這會花費你一些能量。目前產生甲醇的速度還不足以實現商業化。”
太陽熱
太陽在一小時內照射到地球上的能量比人類文明一年使用的能量還要多。新墨西哥沙漠的巨大碟形鏡由桑迪亞國家實驗室的科學家架設，它們捕獲了部分能量，並將其集中在一個看起來像啤酒桶的圓柱形機器上——一個潛在的太陽能燃料發電機。該機器內部是一系列旋轉的同心環。CR5（逆向旋轉環形接收器反應器再生器）以每分鐘大約一次旋轉的速度轉動，將這些鑲嵌著鐵氧化物（也稱為鐵氧體或鐵鏽）或氧化鈰（二氧化鈰）的齒狀環進出陽光。太陽將這些齒加熱到1500攝氏度的高溫——將鐵鏽中的氧氣排出——然後它們旋轉回黑暗中，冷卻到大約900攝氏度。在黑暗中，注入蒸汽或二氧化碳，貪婪的鐵氧體會從這些分子中吸取氧氣，留下後面的一氧化碳（CO）或氫氣（H2），然後旋轉回太陽下。
由此產生的一氧化碳-氫氣混合物就是所謂的合成氣，或稱syngas——化石燃料、化學品甚至塑膠的基本分子構件。CR5 “是一種化學熱機”，桑迪亞的“陽光變汽油”專案的專案經理、化學物理學家艾倫·斯蒂切爾說，該專案基本上旨在逆轉化石燃料的燃燒。“它正在進行化學工作，打破一個鍵。”
CR5已經啟動了三次，而且在太陽光變得太弱之前，今年可能會再次執行，桑迪亞的化學工程師、該裝置的發明人之一詹姆斯·米勒說。但是，它從未達到有效排出合成氣所需的穩定狀態。問題在於形成旋轉環邊緣的反應齒的數千個陶瓷瓦片，其中一些在加熱過程中會破裂。亞利桑那州立大學LightWorks的主任、化學家加里·德克斯指出：“你正在1500到900攝氏度之間來回迴圈，這對一種材料來說要求太高了。”他沒有參與該專案。
其他小組正在研究不同的設計或不同的材料，例如氧化鋅，但是找到更好的材料只是挑戰的一部分——桑迪亞的研究人員估計他們可以製造出與汽油、柴油或噴氣燃料完全相同的替代品，每加侖大約10美元。簡而言之，所有這些用於集中陽光的專用鏡子和用於固定這些鏡子的金屬結構都很昂貴。米勒說：“即使陽光是免費的，花費最多的還是收集陽光並將其轉化為可用形式。陽光是成敗的關鍵原料。”
但是還有另一個問題：要取代美國每天使用的2000萬桶石油（其中約60%是進口的），大約需要6.85億個聚光太陽能碟，覆蓋超過600萬公頃的西南部沙漠。它還需要每年62.4萬億摩爾的濃縮二氧化碳。米勒說：“這是我們尚未解決的奇蹟。”
即使是捕獲和濃縮全國燃煤電廠的排放物（這將增加這一過程的成本）也是不夠的。ARPA-e專案經理、化學家埃裡克·託恩正在研究所謂的“電燃料”或透過微生物製造的碳氫化合物，他指出：“在你的汽車中燃燒的液體燃料是規模化製造事物的最終體現。當你想到我們實際需要多少石油時，二氧化碳的來源就成了一個非常大的問題。”
人工光合作用
大自然有答案。植物從空氣中吸收二氧化碳，並且由於數百萬年光合作用結果的持續燃燒（又名化石燃料），大氣濃度持續上升。不幸的是，植物將陽光轉化為食物的效率極低——平均而言，由於生存等競爭因素，只有最多1%的入射陽光以化學能的形式儲存，這是美國能源部（DoE）估計最多隻有15%的美國能源需求可能來自生物燃料（pdf）的一個主要原因。
加州理工學院的化學家內森·劉易斯希望透過人工模仿光合作用的過程來改進這一點——包括光吸收器、分子製造器和分離各種產品的膜等。劉易斯談到7月22日在美國能源部資助下啟動的一項創造人工光合作用的新嘗試時說，“大自然使用酶；我們使用無機複合物或金屬。材料可以攜帶任意數量的[電流]，因為它們移動的是電子而不是分子。”
劉易斯指出，所有這些人工過程都獨立存在，但並不一定能很好地協同工作。劉易斯擔任主任的人工光合作用聯合中心未來五年的目標是證明它是可行的。他說：“如果我們證明我們可以製造太陽能燃料發電機，那就好比萊特兄弟一樣。它不是747，但它表明人類可以飛行。”
劉易斯並非孤軍奮戰。麻省理工學院的化學家丹·諾塞拉正在研究新型催化劑以改進水分解——這是獲取氫氣的關鍵步驟，然後將氫氣與二氧化碳配對以製造碳氫化合物。美國宇航局已經資助科學家研究將二氧化碳轉化為燃料，以便讓火星探險者能夠從火星大氣中製造火箭燃料，以便返回地球。Mantra Energy與公用事業公司KOSPO合作，利用其電化學電池技術將二氧化碳轉化為甲酸——許多化學品或燃料的基本構件——該公司位於韓國的燃煤電廠之一。“儘管他們已經附加了幹吸附技術來捕獲二氧化碳，但他們現在處理[二氧化碳]的方式是將其釋放到大氣中，”Mantra的首席技術官約翰·羅素解釋道，不過他也承認他的初創公司尚未建成電廠規模的裝置。“這將需要至少六個月的時間，然後我們將執行類似的時間。”
液態光
液態燃料的用途顯而易見：根據加州理工學院的劉易斯的說法，一加侖汽油所含的能量相當於55000加侖水被抽到胡佛大壩的高度，然後又透過渦輪機落下，而且最好的電池每公斤能量為200瓦時，而汽油每升能量為140000瓦時。ARPA-e的託恩指出：“沒有任何東西能夠接近液體燃料的重量能量密度和體積能量密度。很難想象如何實現長途卡車運輸的電氣化，而且不可能實現長途飛行的電氣化。”
事實上，根據前石油商人德克斯的說法，取代每天生產50萬桶石油的一個油田將需要一個100平方公里的藻類生物燃料田，而以這種方式取代世界石油習慣將需要數千個這樣的田。“在我們現有的系統中發生實質性變化之前，至少需要20年的時間，我的意思是說，我們現在不做的液體燃料中有15%到20%來自其他來源，”他說。“這是我們能做的最快速度了。”
在過去的150年左右的時間裡，人類已經消耗了數百萬年前古代光合作用便利地儲存在地下的能量。雖然仍然有大量的這種化石陽光的儲量——想想加拿大的焦油砂或西伯利亞的煤床——但利用它們的代價是氣候發生了徹底的改變，而正是這種氣候使得人類文明得以蓬勃發展。此外，“這是一種有限的資源，”託恩指出。
Liquid Light 公司希望透過使用博卡斯利 (Bocarsly) 在普林斯頓實驗室開發的電化學電池的改進版本來回收二氧化碳分子，從而推遲該截止日期。“如果你能在將二氧化碳分子排放到大氣中之前，讓它多迴圈一次，效率就會高得多，”Liquid Light 公司的執行長，物理學家內蒂·克里希納 (Nety Krishna) 說。“本質上，你是在延遲大氣中二氧化碳的增加。”
該公司已經替換了原始電池中昂貴的鉑電極，並完全消除了半導體電極。“一開始，我們將使用電力作為電子來源，”克里希納承認。他們甚至不再使用吡啶，儘管它便宜且儲量豐富，而博卡斯利表示，他不僅可以用它製造甲醇——作為燃料並不理想——還可以製造更長鏈的碳氫化合物。目前，Liquid Light 計劃在追求化石燃料的直接替代品的夢想之前，先生產更有價值的化學品或僅僅是合成氣。實現這一目標需要將公司升規模從升級的原型擴大到數億升的容量。“只有達到這個規模，才能產生任何影響，”克里希納指出。
該公司希望在未來一年左右建成一個原型系統。CR5 將繼續進行調整和改進，明尼蘇達大學和其他地方正在開發替代設計。而且，像 Sundrop Fuels 這樣的公司已經在使用太陽的熱量來氣化植物秸稈和其他透過光合作用產生的生物質，以製造更好的燃料。但明尼蘇達大學的化學工程師簡·戴維森 (Jane Davidson) 表示，僅在美國對排放二氧化碳徵收成本，不足以推動這項技術的發展。“這需要經濟刺激。”
但其前景是擁有豐富的液態燃料，可以將陽光儲存為化學能，並減緩溫室氣體在大氣中的濃度增加。“正如從自然界的例子中所汲取的那樣，如果你可以將[陽光]儲存在化學鍵中，那麼你就可以解決間歇性問題，因為太陽有一個糟糕的習慣：它每晚都會在區域性消失，”加州理工學院的劉易斯說。“如果能夠直接、高效、廉價地利用陽光製造化學燃料，這將是遊戲規則的改變者。它將最大的能源來源和最大的儲存方式結合起來。”