光子过程是气候变化的核心。如图1所示，地球温度上升基本上是由于二氧化碳carbon dioxide (CO2) 和其他温室气体水平上升，从而导致了阳光吸收以及向空间热辐射发射之间的地球辐射通量平衡的改变。
图1:气候变化问题。地球辐射能量平衡。阳光辐射的射入和红外线infrared (IR)发射（顶部）。全球能源、使用和二氧化碳排放的最新进展（底部）。数据取自IEA（2023）17。
每天人类通过使用不同的能源形式，如电、热和燃料，向大气中排放大量的二氧化碳，以支持制造人类产品的复杂工业过程，创造和调控人类建筑环境，以维持人类的粮食生产，以及运输原材料和最终产品（图1）。这需要在所有这些领域进行重大技术变革，以减少二氧化碳的产生，避免全球进一步变暖。近日，瑞士 洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne）Giulia Tagliabue等，在Nature Photonics上发表评论文章，讨论了光子概念和光驱动技术，如何通过增强能源生产设备的性能、开发新型能源存储解决方案，以及减少能源密集型应用中的消耗，在这一转变中发挥关键作用。
光伏 /Photovoltaics
世界最大的二氧化碳排放者是主要使用煤、石油和天然气的能源生产部门（图1）。为了解决这一问题，直接利用阳光发电的光伏photovoltaic (PV)，正在全球范围内以极高的速度安装。到2040年，有潜力可持续地创造世界电力需求的一半。其余的将来自风能、水能和其他可再生能源。如果光伏成本进一步降低至<0.15€Wp–1（光伏电池板），则光伏扩张将有望加速；如果电力转换效率可从25%提高到40%，从而减少光伏系统所需的面积；如果新的轻型和柔性光伏系统更好地集成到人类环境中。
光子学促进了所有这些技术发展（图2）。将纳米结构与精确设计的光散射相结合，可以增强多结太阳能电池几何结构中的光谱劈裂和转换，从而提高效率1。光散射几何结构，可增强光内耦合和捕获，从而减少光伏PV吸收层厚度、材料使用和成本2。光子原理，还可创建具有彩色外观和其他美观特征的光伏PV，更容易以不可见的方式嵌入到人类生存环境中，从而进一步加快光伏PV的大规模部署。这些部分新技术，例如柔性高效钙钛矿太阳能箔的制造，受益于光驱动材料加工。
光驱动的化学反应
Light-driven chemical reactions
在所有工业部门中，化学工业消耗的能源最多，是二氧化碳排放的第三大直接制造者3。化石燃料扮演着双重角色，既为生产过程提供动力（燃料），又充当原料。如果人类不捕获、转化和/或储存无法在不久的将来消除的二氧化碳排放，那将无法实现2050年的净零排放目标。这方面的例子包括化学工业、水泥生产和航空旅行中，以作为不可避免副产品产生的二氧化碳。其中一些二氧化碳排放，可被捕获并转化为有用的产品，如合成燃料和化学品，这将结束碳循环。因此，全面的脱碳解决方案，必须解决1）采购更环保的原料，2）以及确保驱动化学反应的可持续过程能源，这两个问题。
关键的策略之一是，研究在当今工艺中占主导地位的热化学工艺，在多大程度上实现电气化，例如通过使用可再生电力，实现催化剂的电阻加热，或者受益于以可持续方式制造液体燃料或氢气燃烧产生的热量。同时，为在热化学和光化学转化中直接使用光，光子学提供了新的机会，实现了将光能直接存储到化学键中。
等离子体纳米粒子和纳米级结构的超表面，将光聚集到分子或纳米级尺寸，这些可用于增强光催化表面的转换效率4，主要是通过最小化非辐射电荷复合和通过局部提供热量到催化活性位点。光谱窄共振特别适合可再生电力供电的发光二极管light-emitting diodes (LEDs)，避免了宽带太阳光吸收的窘境5。此外，等离子体纳米结构中，强近场和热载流子的共振光激发，可提供额外的非热控制，以克服光催化反应壁垒，为反应路径控制和选择性导向，开辟了一条全新的路径4，6。几个关键的化学转化，可从这些机会中受益（图2）。
特别地，在能量转换中，分子氢molecular hydrogen发挥着关键作用，因为具有非常高的每单位质量能量密度，并且在燃烧时，产生热和水而没有碳排放。然而，常见的甲烷-CO2重整反应，产生了H2具有不利的热力学和动力学，需要高温，因此需要大量的能量输入。生产H2的一种潜在替代途径是通过水的电解，这可以由可持续产生的电力直接驱动，并由合适的催化剂介导。在可扩展性、简单性和潜在成本方面，光辅助催化提供了一种具有优势的替代技术7。据报道，通过直接光催化8，太阳能转化为氢气的效率很高（>19%）。关键挑战在于，将高太阳能制氢效率、耐用性和低成本等所需属性结合到一个架构和材料平台中。
更广泛地说，化石材料目前形成了氢和碳的来源，用于生产许多基本化学品，如乙烯、丙烯和氨。可持续制氢的新技术，可在化工生产中替代这种不可再生的原料。或者，CO2捕获和利用，可使碳中和原料成为可能。然而，CO2还原反应，通常产生多种反应产物，范围从CO到烃和醇等，并且高反应选择性是避免能量密集和昂贵分离和纯化步骤的关键9。在这方面，高分子量碳产品（CN，n>2）的生产——需要高能C–C偶联步骤——依赖于使用铜（Cu）作为这种转化的唯一催化剂10。由于铜在光谱范围内是地球上丰富的等离子体激元材料，这提供了通过使用由纳米光子概念,创造强光-物质耦合条件，经优化C–C反应效率和选择性的机会11。许多CO2衍生反应，及其在净零能量方案中的关键作用，促使进一步探索催化剂，以有效地和选择性地用光驱动CO2转化反应。
太阳能电池
Solar batteries
对于大规模可再生能源存储领域，化学过程也很重要，而光子学可进一步帮助这些过程。其中光电化学电池与氧化还原液流电池，可直接集成的太阳能氧化还原液流电池，以提供大规模的直接太阳能存储12。据报道，由于多结太阳能电池与氧化还原液流电池PART13的单片耦合，太阳光-电能效率高达20%。然而，主要挑战仍然存在，基于可扩展和低成本材料的单个光电极系统设计中，以及同时优化这些器件中的光利用和电荷转移几何结构中14。
总之，利用光驱动化学反应，引发了全新的方法，用以设计化学反应器，其中光引导和会聚，可最优地集成液体和气体形式的化学物质流动。光电极和催化剂超表面的光子学设计，具有优化形态，并可集成于纳米和微流体几何结构，从而提供了一种独特新方法，即通过控制热梯度和光学热点，以激发化学反应。大型光反应器系统的开发，仍处于初期阶段，但在未来具有重大发展的潜力。
降低能耗
Reducing energy consumption
除了能源和化工行业必须进行的重大技术变革外，在人类社会中，还有许多更小规模的能源利用，有待修正，从而使这些举措的累积效应产生颠覆性影响。创新空间几乎是无限的，此处仅提及几个主要的例子（图2）。
通过优化建筑环境中的热量管理，可以避免大量的能源使用。光学超表面Optical metasurfaces，可通过增强（远）红外光的发射，以实现高效的被动辐射冷却系统。双面bifacial辐射冷却器的辐射冷却功率高达270 W m–2，同时利用太阳辐射生产热水15。该项技术的广泛采用，可显著降低室内制冷的能耗。计算与人工智能artificial intelligence (AI) 技术的蓬勃发展相结合，正在使用快速增长的电量。利用光作为信息载体，并对数据进行模拟（预）处理的无源光学计算技术，可减少未来的能源使用，并维持人工智能工具的广泛部署16。
光子解决方案，还可以帮助减少工业过程的热需求。例如，塑料回收和造纸是主要的二氧化碳排放行业，因为塑料固废的热解和纸浆中水分的蒸发，分别需要大量的热量17。光催化方法，可在塑料回收中打开低温通道，而用于光驱动界面蒸发的光子工程结构，可减少纸张生产中的热负荷和损失18。光子辅助蒸发概念，也可用于高效的海水淡化技术，这是为全世界大量人口提供饮用水所迫切需要的19。光热效应也为实现从大气中获取水分，开辟了一条完全不同的途径。水蒸发技术与电动（水电）装置，可实现离网应用的联合水能生产20。在所有这些系统中，光吸收器和聚光器的最佳光热设计，对于提高生产率，是至关重要的。最后，光子学在农业中的应用，可再生能源供电的LED产生颜色，可选择性地刺激作物生长，并使创建城市农场的新方法。
辐射通量平衡：光子学与地球工程
Radiative flux balancing: photonics and geo-engineering
直接影响全球变暖的一种光子工程方法是，利用云和气溶胶的可见光和红外散射/吸收特性，例如海洋云增亮，补偿人为二氧化碳排放的地球工程效应21。尽管争议很大，但这一主题，正在引起一些公众讨论，因为这些方法，比减少或消除二氧化碳排放的成本低得多，而且可以迅速实施。然而，这些技术提出了“道德风险”论点：即将抑制或推迟全球范围内限制温室气体排放和从大气中清除二氧化碳。因此，地球工程只能被视为最后的手段。
供应链和新方法
Supply chain and novel approaches
许多光子设计概念与化学、材料科学和工程领域的挑战密切相关，因此需要所有研究领域的专家共同努力，以分析问题并找到解决方案。这样的研究，也将需要新的光谱学和显微镜工具，以探测和优化过程，有时是在操作条件下，而这些工具的发展本身就提出了光子挑战。减缓气候变化的新光子技术，还需要深入分析大规模实施的社会影响，使用稀缺材料，获得原材料和加工材料的整个供应链，并且必须包括材料和设备的易回收性（循环设计）。技术经济分析，对于评估新光子技术的大规模市场转化是否可行，是至关重要的。
结论
Concluding thoughts
这篇评论提出了一些光子设计原则，以应对气候危机的新技术的核心。有许多潜在的解决方案，其中一些相对简单，容易掌握，另一些则非常复杂，但具有巨大的潜在影响。这要求在在复杂环境中，光了学行为的高水平知识，以助力于创建缓解气候变化的解决方案。
（参考文献略）
