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    • 二氧化碳“變形記” 將垃圾變為燃料的新方法
    • 2017-09-15
    二氧化碳(CO2)是社會的最終廢棄物,每年有數十億噸被排到大氣中。但將其轉化為有價值的燃料和化學物質通常需要過多能量,這使其在經濟上變得不合理。在近日舉行的美國化學會(ACS)會議上,研究人員報告稱發現了將CO2轉變為富含能量的副產品的兩種有效方式。



    兩種新電解技術有效利用電分解二氧化碳分子。

    如果能夠實施,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定電子流,它們可以吸收目前電網中不能儲存的所有“丟失”的太陽能和風能。

    為了回收利用CO2,一些研究人員在模仿光合作用,利用日光將分子轉變為碳水化合物。但這些太陽能燃料反應堆經常需要在1000℃的高溫下運行。其他化學家則支持更加傳統的方法,即進行類似的反應,但在接近室溫下在需要電和特別催化劑的電化學電池中進行。

    類似電子路徑的第一步是分解頑固、穩定的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。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,將水和CO2分離開,最終產生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催化劑會引導更多可獲得的電子分解水,而不是將CO2轉化為CO。

    2011年,由佛羅里達州波卡拉頓二氧化物材料公司首席執行官、化學家Rid Masel帶領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轉化為CO反應的設備。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,并促使催化劑將幾乎所有電子轉化為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,當在其上覆蓋一層銀電極后,它可以發揮同樣的功能。

    去年,該公司稱已經成功制作出這種膜。在ACS會議上,二氧化物材料公司化學家Rid Ni報告稱,用它生產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電解器的速率轉化為CO。如果按比例擴大規模,將有助于處理大量的CO2。Ni還補充說,該公司的裝置經過6個月持續運行之后仍保持穩定且未退化。

    “這些是非常好的結果。”賓夕法尼亞州匹茲堡國家能源技術實驗室化學家Fan Shi說,他認為這已經是足夠成熟的商業產品。二氧化物材料公司并非唯一嘗試商業化這一過程的公司,化學巨頭巴斯夫已經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“藍色原油”—— 一種利用高溫過程從CO2和水轉化而來的合成柴油。

    同時,二氧化物材料公司已經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,該團隊已經與產業巨頭3M公司合作,生產一卷卷的咪唑膜。該公司還正在與工業化學品生產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。“那將非常關鍵。”Shi說,“我們可以在用電需求較低的時候儲存能量。”

    為了產生大規模的影響,哈佛大學化學家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,伊利諾伊大學厄巴納分?;瘜W家Paul Kenis提出了另一個長期的愿景。盡管將CO2轉變為CO是最簡單的選擇方法,Kenis和其他人仍在設法用更多能量或更高的價格將CO2一下子轉化為甲烷、甲酸、甲醇或其他復雜的碳氫化合物。但這些反應更加復雜,需要的不僅僅是電子源,還有質子源。為了進行這些反應,研究人員通常會利用正極將水分子分解為質子、電子和氧氣,然后將質子和電子灌入陰極,它們在那里會與CO2發生反應生成碳氫化合物。水解反應通常需要較多的能量附加。

    在ACS會議上,Kenis報告稱,其團隊已經創建了一種CO2分解設施,他們可以在正極用一種叫作丙三醇(生物質發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,其團隊可以將系統中的附加能耗減少近2/3,同時生產出可廣泛用于化學合成品的甲酸。Kenis坦言,這套新裝置可能會產生目前他們尚不知曉的副產物,它距離轉變為一項商業技術仍有很長的路要走。加州理工學院化學家William Goddard表示,他對這個思路印象深刻。“把現在普遍認為的垃圾加以轉化利用的技術具有真正的潛力。”他說。

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