在20世纪90年代，普林斯顿大学的一名研究生林超（音译）决定将二氧化碳鼓入一个电化学电池中。他使用由钯元素制成的阴极和一种名为吡啶鎓的催化剂——一种石油精炼的常见副产物——发现施加电流可以将二氧化碳组装成甲醇。他在1994年发表了他的研究结果，但没有人关注。
但到了2003年，在普林斯顿化学家安德鲁·博卡斯利的实验室里，林的继任者对寻找解决日益严重的二氧化碳污染导致全球气候变化的问题产生了浓厚的兴趣。研究生艾米丽·巴顿接替了他的工作，使用一个电化学电池，该电池的一个电极采用了光伏太阳能电池中使用的半导体材料，成功地利用阳光将二氧化碳转化为基本燃料。
博卡斯利说：“10年前的主流观点是，我们应该掩埋二氧化碳。但是，如果能有效地将其转化为我们不必花费大量资金和能源将其放入地下的东西，比如回收它，那会更好。我们提取二氧化碳、水、阳光和适当的催化剂，然后生成醇类燃料。”
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他补充道：“我们这里并没有什么高明的见解，我们只是有一些运气。”风险投资家们现在正试图通过一家名为Liquid Light的初创公司将这种运气转化为现金流。
将二氧化碳转化为燃料正是光合作用生物数十亿年来一直在做的事情，尽管它们的燃料往往是食物，比如糖。现在，人类正试图通过将二氧化碳和氢气制成液体燃料来储存阳光中的能量——这有望回收二氧化碳排放并减缓大气中温室气体的快速积累。美国高级研究计划署–能源（ARPA–e）的负责人阿伦·马朱达尔在三月份的一次会议上解释说，“你可以利用电力，将二氧化碳和氢气结合，制成汽油。这就像一石四鸟”，即能源安全、气候变化、联邦赤字以及潜在的失业问题。
科罗拉多大学博尔德分校的化学工程师艾伦·韦默正在研究这种太阳能燃料发电机，他认为，“当这些新技术商业化时，这些工作最终都会在美国产生。”美国空军科学研究办公室的化学家迈克尔·伯曼补充道，该办公室正在资助太阳能燃料（包括博卡斯利的研究）的可能性研究：“国家和空军都需要安全和可持续的能源来源......既然太阳为我们提供了足够的能量，我们的目标是使用二氧化碳和阳光（可能还有水）作为原料来制造燃料，这种化学燃料可以将太阳的能量以我们可以在需要时使用的方式储存起来。”
事实上，将二氧化碳转化为碳氢化合物燃料的问题不在于转化本身——至少有三种潜在的方法可以使用阳光来实现，以及一种使用高压和高温的方法，即所谓的费托合成（目前正在使用）——而在于所涉及的巨大成本。博卡斯利说：“将二氧化碳转化为甲醇是一个艰苦的过程。这会花费你一些能量。目前产生甲醇的速度还不足以实现商业化。”
太阳热
太阳在一小时内照射到地球上的能量比人类文明一年使用的能量还要多。新墨西哥沙漠的巨大碟形镜由桑迪亚国家实验室的科学家架设，它们捕获了部分能量，并将其集中在一个看起来像啤酒桶的圆柱形机器上——一个潜在的太阳能燃料发电机。该机器内部是一系列旋转的同心环。CR5（逆向旋转环形接收器反应器再生器）以每分钟大约一次旋转的速度转动，将这些镶嵌着铁氧化物（也称为铁氧体或铁锈）或氧化铈（二氧化铈）的齿状环进出阳光。太阳将这些齿加热到1500摄氏度的高温——将铁锈中的氧气排出——然后它们旋转回黑暗中，冷却到大约900摄氏度。在黑暗中，注入蒸汽或二氧化碳，贪婪的铁氧体会从这些分子中吸取氧气，留下后面的一氧化碳（CO）或氢气（H2），然后旋转回太阳下。
由此产生的一氧化碳-氢气混合物就是所谓的合成气，或称syngas——化石燃料、化学品甚至塑料的基本分子构件。CR5 “是一种化学热机”，桑迪亚的“阳光变汽油”项目的项目经理、化学物理学家艾伦·斯蒂切尔说，该项目基本上旨在逆转化石燃料的燃烧。“它正在进行化学工作，打破一个键。”
CR5已经启动了三次，而且在太阳光变得太弱之前，今年可能会再次运行，桑迪亚的化学工程师、该设备的发明人之一詹姆斯·米勒说。但是，它从未达到有效排出合成气所需的稳定状态。问题在于形成旋转环边缘的反应齿的数千个陶瓷瓦片，其中一些在加热过程中会破裂。亚利桑那州立大学LightWorks的主任、化学家加里·德克斯指出：“你正在1500到900摄氏度之间来回循环，这对一种材料来说要求太高了。”他没有参与该项目。
其他小组正在研究不同的设计或不同的材料，例如氧化锌，但是找到更好的材料只是挑战的一部分——桑迪亚的研究人员估计他们可以制造出与汽油、柴油或喷气燃料完全相同的替代品，每加仑大约10美元。简而言之，所有这些用于集中阳光的专用镜子和用于固定这些镜子的金属结构都很昂贵。米勒说：“即使阳光是免费的，花费最多的还是收集阳光并将其转化为可用形式。阳光是成败的关键原料。”
但是还有另一个问题：要取代美国每天使用的2000万桶石油（其中约60%是进口的），大约需要6.85亿个聚光太阳能碟，覆盖超过600万公顷的西南部沙漠。它还需要每年62.4万亿摩尔的浓缩二氧化碳。米勒说：“这是我们尚未解决的奇迹。”
即使是捕获和浓缩全国燃煤电厂的排放物（这将增加这一过程的成本）也是不够的。ARPA-e项目经理、化学家埃里克·托恩正在研究所谓的“电燃料”或通过微生物制造的碳氢化合物，他指出：“在你的汽车中燃烧的液体燃料是规模化制造事物的最终体现。当你想到我们实际需要多少石油时，二氧化碳的来源就成了一个非常大的问题。”
人工光合作用
大自然有答案。植物从空气中吸收二氧化碳，并且由于数百万年光合作用结果的持续燃烧（又名化石燃料），大气浓度持续上升。不幸的是，植物将阳光转化为食物的效率极低——平均而言，由于生存等竞争因素，只有最多1%的入射阳光以化学能的形式储存，这是美国能源部（DoE）估计最多只有15%的美国能源需求可能来自生物燃料（pdf）的一个主要原因。
加州理工学院的化学家内森·刘易斯希望通过人工模仿光合作用的过程来改进这一点——包括光吸收器、分子制造器和分离各种产品的膜等。刘易斯谈到7月22日在美国能源部资助下启动的一项创造人工光合作用的新尝试时说，“大自然使用酶；我们使用无机复合物或金属。材料可以携带任意数量的[电流]，因为它们移动的是电子而不是分子。”
刘易斯指出，所有这些人工过程都独立存在，但并不一定能很好地协同工作。刘易斯担任主任的人工光合作用联合中心未来五年的目标是证明它是可行的。他说：“如果我们证明我们可以制造太阳能燃料发电机，那就好比莱特兄弟一样。它不是747，但它表明人类可以飞行。”
刘易斯并非孤军奋战。麻省理工学院的化学家丹·诺塞拉正在研究新型催化剂以改进水分解——这是获取氢气的关键步骤，然后将氢气与二氧化碳配对以制造碳氢化合物。美国宇航局已经资助科学家研究将二氧化碳转化为燃料，以便让火星探险者能够从火星大气中制造火箭燃料，以便返回地球。Mantra Energy与公用事业公司KOSPO合作，利用其电化学电池技术将二氧化碳转化为甲酸——许多化学品或燃料的基本构件——该公司位于韩国的燃煤电厂之一。“尽管他们已经附加了干吸附技术来捕获二氧化碳，但他们现在处理[二氧化碳]的方式是将其释放到大气中，”Mantra的首席技术官约翰·罗素解释道，不过他也承认他的初创公司尚未建成电厂规模的装置。“这将需要至少六个月的时间，然后我们将运行类似的时间。”
液态光
液态燃料的用途显而易见：根据加州理工学院的刘易斯的说法，一加仑汽油所含的能量相当于55000加仑水被抽到胡佛大坝的高度，然后又通过涡轮机落下，而且最好的电池每公斤能量为200瓦时，而汽油每升能量为140000瓦时。ARPA-e的托恩指出：“没有任何东西能够接近液体燃料的重量能量密度和体积能量密度。很难想象如何实现长途卡车运输的电气化，而且不可能实现长途飞行的电气化。”
事实上，根据前石油商人德克斯的说法，取代每天生产50万桶石油的一个油田将需要一个100平方公里的藻类生物燃料田，而以这种方式取代世界石油习惯将需要数千个这样的田。“在我们现有的系统中发生实质性变化之前，至少需要20年的时间，我的意思是说，我们现在不做的液体燃料中有15%到20%来自其他来源，”他说。“这是我们能做的最快速度了。”
在过去的150年左右的时间里，人类已经消耗了数百万年前古代光合作用便利地储存在地下的能量。虽然仍然有大量的这种化石阳光的储量——想想加拿大的焦油砂或西伯利亚的煤床——但利用它们的代价是气候发生了彻底的改变，而正是这种气候使得人类文明得以蓬勃发展。此外，“这是一种有限的资源，”托恩指出。
Liquid Light 公司希望通过使用博卡斯利 (Bocarsly) 在普林斯顿实验室开发的电化学电池的改进版本来回收二氧化碳分子，从而推迟该截止日期。“如果你能在将二氧化碳分子排放到大气中之前，让它多循环一次，效率就会高得多，”Liquid Light 公司的首席执行官，物理学家内蒂·克里希纳 (Nety Krishna) 说。“本质上，你是在延迟大气中二氧化碳的增加。”
该公司已经替换了原始电池中昂贵的铂电极，并完全消除了半导体电极。“一开始，我们将使用电力作为电子来源，”克里希纳承认。他们甚至不再使用吡啶，尽管它便宜且储量丰富，而博卡斯利表示，他不仅可以用它制造甲醇——作为燃料并不理想——还可以制造更长链的碳氢化合物。目前，Liquid Light 计划在追求化石燃料的直接替代品的梦想之前，先生产更有价值的化学品或仅仅是合成气。实现这一目标需要将公司升规模从升级的原型扩大到数亿升的容量。“只有达到这个规模，才能产生任何影响，”克里希纳指出。
该公司希望在未来一年左右建成一个原型系统。CR5 将继续进行调整和改进，明尼苏达大学和其他地方正在开发替代设计。而且，像 Sundrop Fuels 这样的公司已经在使用太阳的热量来气化植物秸秆和其他通过光合作用产生的生物质，以制造更好的燃料。但明尼苏达大学的化学工程师简·戴维森 (Jane Davidson) 表示，仅在美国对排放二氧化碳征收成本，不足以推动这项技术的发展。“这需要经济刺激。”
但其前景是拥有丰富的液态燃料，可以将阳光存储为化学能，并减缓温室气体在大气中的浓度增加。“正如从自然界的例子中所汲取的那样，如果你可以将[阳光]存储在化学键中，那么你就可以解决间歇性问题，因为太阳有一个糟糕的习惯：它每晚都会在局部消失，”加州理工学院的刘易斯说。“如果能够直接、高效、廉价地利用阳光制造化学燃料，这将是游戏规则的改变者。它将最大的能源来源和最大的储存方式结合起来。”