變廢為寶！哈佛科學家研發出了將二氧化碳轉化為工業燃料的係統（tǒng）

 變廢為寶！哈佛科學家研發（fā）出了將二氧化碳轉化為工業燃料的係統

來源：前（qián）瞻網

 

 

想象一下，有一天，發電廠和重工業排放的氣體不再（zài）被排放到大氣中，而是被捕獲並（bìng）送入催化反應器（qì），催化反應器通（tōng）過化學方法將二氧化碳等溫室氣體轉化為工業燃料或化學品，隻排放氧氣。

 

Haotian Wang說，這是一個比許多人想象的更近的（de）未來。

 

作為哈佛羅蘭研究所(Rowland Institute)的一名研究員，Wang和他的同事（shì）開發（fā）了一種改進的係統，可以利用可（kě）再生電力（lì）將二氧化碳轉化為一氧化碳，一氧化碳是許多工業過程中使用（yòng）的一種關鍵商品（pǐn）。

 

這種係統在11月8日發表在《焦耳（ěr）》上的一（yī）篇論文中（zhōng）進行了描述（shù）。

“最（zuì）有前途（tú）的想法（fǎ）可能是將這些設備與燃（rán）煤（méi）發電廠或其（qí）他產生大量二氧化（huà）碳的行業連接起來，”Wang說。

 

“大約20%的氣體是二氧化碳，所以如果你（nǐ）能把它們注（zhù）入這（zhè）個係統……將其與清潔電力結合起來，我們就能以可（kě）持續的方（fāng）式從（cóng）這些廢物中生產出有用的化學物質，甚至可以關閉二氧化碳循環的一（yī）部分。”

 

Wang說，新係統與他和同（tóng）事在2017年化學雜誌上首次描述的係統相比，邁出了戲劇性的一步。

 

舊係統勉強跟手機差不多大（dà）小，依靠兩個充滿溶（róng）液的小室，每個小室內有一（yī）個電極，而新係統更加便宜並且依（yī）賴於高濃度的二氧化碳氣體和水蒸（zhēng）氣（qì），能夠更（gèng）加高效地運作。Wang說，隻需要一個10x10厘米的單元，每小時就可以產生高達四升一氧（yǎng）化碳。

 

Wang說，新（xīn）係統解決了兩個（gè）主要挑戰——成本和可伸（shēn）縮性——這被認為是最初（chū）的方法的限製。

 

“在早期的（de）工作中，我（wǒ）們發現了單一的（de）鎳原子催化劑，這是被仔細挑選用來減少二氧化碳轉化成一氧化碳的……但我們麵臨的一個挑戰是，合成這些材料的成（chéng）本很高。”

 

“我們用來固定單個鎳原子的支撐是基於石墨烯的，這使（shǐ）得如果你想以克甚至公斤的規模來生產它以供未來的實際使用，將會非常（cháng）困難。”

他說，為了解決這個問題，他（tā）的團隊轉向了一種比石墨烯便（biàn）宜數千倍的商業產品——炭黑。

Wang和（hé）他的同事利用類似於（yú）靜電吸引的方法，能夠將單個鎳原子(帶正電荷)吸收到炭黑納米顆粒(帶負電荷)的間隔中，從（cóng）而產生（shēng）低成本和選擇性高的CO2還原材料。

 

“目前，我們最多隻能生產克，但（dàn）以前（qián）我們隻能每批生產毫克，”Wang說。

“但（dàn）這僅限於我（wǒ）們（men）現有的合成設備;如果（guǒ）你有一個更大的容器，你（nǐ）可以製（zhì）造出幾公斤甚至幾噸這（zhè）種催化劑（jì）。”

 

Wang和他的同事們必須（xū）克服的另一個挑戰是，原來的係統隻能在液體溶液中工作。

最初的係統通過在一個腔內使用電極將（jiāng）水分子分（fèn）裂成氧和質子來工作。

 

隨著氧的氣泡消失，通過液體溶液的質子會進入第二個腔室，在鎳催化劑的幫助下，它們會與二氧化碳結（jié）合，將分子分解，留下CO和水。

 

然後這（zhè）些水（shuǐ）可以被送回（huí）第一個房間，在那裏它會再次（cì）分裂（liè），這（zhè）個過程會重（chóng）新開始。

“問題是（shì），我們可以在這個係統中減少的二氧化碳（tàn）隻是那（nà）些溶解在水中的;催化劑周圍的大部（bù）分分子都（dōu）是水。隻有少量（liàng）的（de）二氧化碳，所以效率很低。”

 

Wang說，雖然簡單地增加催化劑（jì）上（shàng）的（de）電壓以提高反應速率是很誘人的，但（dàn）這可能會產生（shēng）分解水的意外後果，而（ér）不是減少二（èr）氧化碳。

 

“如果你耗盡靠近電極的二氧化碳，其他分子必須擴散到電極上（shàng），這需要時間，” Wang說。

“但如果你增加（jiā）電壓，周（zhōu）圍的水更有可能利用這個機會反應並分裂成氫和氧。”

 

結果證明，解決方案相對簡單——為了避免水分子分裂，研究小組將催化劑從溶液中取出。

“我們（men）用水（shuǐ）蒸氣取代了液態水，並以高濃度的二氧（yǎng）化碳氣體（tǐ）為原料，”他（tā）說（shuō）。

 

“因此，如果舊係統中是超（chāo）過99%的水（shuǐ）和不（bú）到1%的二氧（yǎng）化碳，現在我們（men）可以完全逆轉這一趨（qū）勢，將97%的二氧化碳氣（qì）體和3%的水蒸氣泵入這個（gè）係統。”

 

在此之前，液態水在係統中也是離子導體，現

在我們（men）用（yòng）離（lí）子交換膜來代替（tì），幫助離子在（zài）沒有液態水的情況下移動。

 

“影響是我們可以提供一（yī）個數量級（jí）的更（gèng）高的電流密度，”他繼續說。

“以前，我們的工作速度大約是每厘米10毫安（ān），但今天我們可以輕鬆地提高到100毫安。”

Wang說，未來該係（xì）統仍有挑戰需要克（kè）服，特別是與穩定性相關的挑戰。

 

他說:“如果你想利用（yòng）它（tā）對經濟或環境造成影響，它需要連續運行數千小（xiǎo）時。”

 

“現在，我們可以這樣做幾十個小時，所以（yǐ）仍然有很（hěn）大的差距，但我相信（xìn）這些問題可以通過對二氧化碳還原催（cuī）化劑和水氧化催化（huà）劑進行更詳細的分析來解決（jué）。”

 

最（zuì）終，Wang說（shuō），總有一（yī）天，工業將（jiāng）能夠捕獲現在排放到大氣中的二氧化碳，並將其轉化為有用的產品。

 

“一氧化碳不是一（yī）種特別高價值的化學產（chǎn）品，”Wang說。

 

“為了探索更多的（de）可能（néng）性（xìng），我的團隊還開發了幾種銅基催化（huà）劑，可以進（jìn）一步降低二氧化碳含量（liàng），生產出更（gèng）有價值的產品。”

 

Wang認為，他在羅蘭學（xué）院所享受（shòu）的自由幫助他實現了新係統等突破。

 

“我（wǒ）作為一名早期職業研究員，羅蘭為我提（tí）供了一個很好的獨立研究平台，它開啟了我的團隊將繼續推進（jìn）的研究方向的很大一（yī）部（bù）分，” Wang說。

 

“我肯定會懷念（niàn）在這裏的日子。”