二氧化碳(CO2)是社會的最終廢棄物，每年有數(shù)十億噸被排到大氣中。但將其轉(zhuǎn)化為有價值的燃料和化學(xué)物質(zhì)通常需要過多能量，這使其在經(jīng)濟上變得不合理。在近日舉行的美國化學(xué)會(ACS)會議上，研究人員報告稱發(fā)現(xiàn)了將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)楦缓芰康母碑a(chǎn)品的兩種有效方式。
兩種新電解技術(shù)有效利用電分解二氧化碳分子。
如果能夠?qū)嵤?，它們將有助于解決另一個緊迫的問題：因為這兩種方式都需要來自電源的穩(wěn)定電子流，它們可以吸收目前電網(wǎng)中不能儲存的所有“丟失”的太陽能和風(fēng)能。
為了回收利用CO2，一些研究人員在模仿光合作用，利用日光將分子轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔?。但這些太陽能燃料反應(yīng)堆經(jīng)常需要在1000℃的高溫下運行。其他化學(xué)家則支持更加傳統(tǒng)的方法，即進行類似的反應(yīng)，但在接近室溫下在需要電和特別催化劑的電化學(xué)電池中進行。
類似電子路徑的第一步是分解頑固、穩(wěn)定的CO2分子，將其分解為氧氣和一氧化碳(CO)，CO是一種略含能量的分子，可作為形成甲醇等碳氫燃料的基礎(chǔ)。這一過程從兩個覆蓋著催化劑的電極開始，電極被浸泡在一個盛了水且溶解了CO2的燒杯中。這些電極之間的電子流會分別進行反應(yīng)，將水和CO2分離開，最終產(chǎn)生CO和更多的水。
在理論上，它僅需要1.33伏的電量，低于一節(jié)五號電池的電壓。但在實際上，研究人員必須將其提高1伏左右，從而讓反應(yīng)快速進行。額外的電量被稱作附加電壓，會降低電池的有效性。另一個問題是大多數(shù)催化劑會引導(dǎo)更多可獲得的電子分解水，而不是將CO2轉(zhuǎn)化為CO。
2011年，由佛羅里達州波卡拉頓二氧化物材料公司首席執(zhí)行官、化學(xué)家Rid Masel帶領(lǐng)的團隊用氧化銀和氧化銥催化劑以及一種電解液驗證了一套提高從CO2轉(zhuǎn)化為CO反應(yīng)的設(shè)備。該電解液包含了一種叫作咪唑鎓鹽的化合物，它可以在被銀包裹的電極周圍形成一層保護層。這會阻止水裂解反應(yīng)，并促使催化劑將幾乎所有電子轉(zhuǎn)化為CO2。它還會以僅0.17伏的附加電壓形成CO。但離子液體價格比較昂貴，而且具有腐蝕性，因此二氧化物材料公司開始制作一種耐用且廉價的塑料膜，當(dāng)在其上覆蓋一層銀電極后，它可以發(fā)揮同樣的功能。
去年，該公司稱已經(jīng)成功制作出這種膜。在ACS會議上，二氧化物材料公司化學(xué)家Rid Ni報告稱，用它生產(chǎn)CO的效率比最好的下一代膜幾乎提高了1倍。Ni還在報告中表示，利用最近的升級，它們的電池可以將CO2以兩倍于其他同等大小的CO2電解器的速率轉(zhuǎn)化為CO。如果按比例擴大規(guī)模，將有助于處理大量的CO2。Ni還補充說，該公司的裝置經(jīng)過6個月持續(xù)運行之后仍保持穩(wěn)定且未退化。
“這些是非常好的結(jié)果。”賓夕法尼亞州匹茲堡國家能源技術(shù)實驗室化學(xué)家Fan Shi說，他認(rèn)為這已經(jīng)是足夠成熟的商業(yè)產(chǎn)品。二氧化物材料公司并非唯一嘗試商業(yè)化這一過程的公司，化學(xué)巨頭巴斯夫已經(jīng)宣布了利用同樣的方法制作液體甲烷的計劃。一家名為太陽火的德國公司在今年5月也宣布正在生產(chǎn)“藍色原油”—— 一種利用高溫過程從CO2和水轉(zhuǎn)化而來的合成柴油。
同時，二氧化物材料公司已經(jīng)擴大了其電極的大小，將其從比一枚美國郵票還小的方格變得比成年人手掌更大，從而允許更大的CO通量。此外，該團隊已經(jīng)與產(chǎn)業(yè)巨頭3M公司合作，生產(chǎn)一卷卷的咪唑膜。該公司還正在與工業(yè)化學(xué)品生產(chǎn)商如林德和西門子合作，探索可以在哪里獲得純CO2廢棄物以及多余的可再生能源?！澳菍⒎浅ｊP(guān)鍵?！盨hi說，“我們可以在用電需求較低的時候儲存能量。”
為了產(chǎn)生大規(guī)模的影響，哈佛大學(xué)化學(xué)家Haotian Wang說，該公司可能需要找到比銀和氧化銥價格更低的電極催化物。Ni表示，該公司正在尋求價格更低的替代物以替換稀有貴金屬氧化銥。
在ACS會議上，伊利諾伊大學(xué)厄巴納分?；瘜W(xué)家Paul Kenis提出了另一個長期的愿景。盡管將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)镃O是最簡單的選擇方法，Kenis和其他人仍在設(shè)法用更多能量或更高的價格將CO2一下子轉(zhuǎn)化為甲烷、甲酸、甲醇或其他復(fù)雜的碳氫化合物。但這些反應(yīng)更加復(fù)雜，需要的不僅僅是電子源，還有質(zhì)子源。為了進行這些反應(yīng)，研究人員通常會利用正極將水分子分解為質(zhì)子、電子和氧氣，然后將質(zhì)子和電子灌入陰極，它們在那里會與CO2發(fā)生反應(yīng)生成碳氫化合物。水解反應(yīng)通常需要較多的能量附加。
在ACS會議上，Kenis報告稱，其團隊已經(jīng)創(chuàng)建了一種CO2分解設(shè)施，他們可以在正極用一種叫作丙三醇(生物質(zhì)發(fā)電廠形成的成噸的廢棄物)的液體置換水。通過使用丙三醇，Kenis說，其團隊可以將系統(tǒng)中的附加能耗減少近2/3，同時生產(chǎn)出可廣泛用于化學(xué)合成品的甲酸。Kenis坦言，這套新裝置可能會產(chǎn)生目前他們尚不知曉的副產(chǎn)物，它距離轉(zhuǎn)變?yōu)橐豁椛虡I(yè)技術(shù)仍有很長的路要走。加州理工學(xué)院化學(xué)家William Goddard表示，他對這個思路印象深刻。“把現(xiàn)在普遍認(rèn)為的垃圾加以轉(zhuǎn)化利用的技術(shù)具有真正的潛力。”他說。
來源:科學(xué)網(wǎng) 作者:晉楠
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