煉金術？二氧化碳可轉化成碳納米纖維

2024-01-22 13:38:29 來源：中國科學報

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日前，美國能源部宣布，其布魯克海文國家實驗室和哥倫比亞大學研究人員聯合開發了一種耦合電化學和熱化學反應的新策略，能將強效溫室氣體二氧化碳（CO ₂）轉化為碳納米纖維，這種材料具有廣泛的獨特性能和許多潛在的長期用途。

該策略可在相對較低的溫度和環境壓力下，將碳鎖定在固體形態的物質中，以抵消甚至實現負碳排放。這項工作1月11日發表在《自然—催化》期刊。

“你可以把碳納米纖維放入水泥中來增強水泥。”論文通訊作者之一、哥倫比亞大學化學工程教授陳景光（音）介紹，“這將把碳鎖在混凝土中50年，甚至更長時間。”

此外，該工藝還生產氫氣（H₂），這是一種很有前途的替代燃料，使用時可實現零排放。

捕獲或轉化

捕獲二氧化碳，或將其轉化為其他材料，以應對氣候變化的想法并不新鮮，但簡單地儲存二氧化碳氣體會導致泄漏。許多二氧化碳轉化產生的碳基化學品或燃料會被立即使用，從而導致二氧化碳被釋放回大氣。

陳景光說：“我們試圖將二氧化碳轉化為一種具有附加值但又堅固有用的物質。”

這種固體碳材料——包括尺寸為十億分之一米的碳納米管和納米纖維——具有許多吸引人的特性，包括強度、熱導率和電導率。但從二氧化碳中提取碳并將其轉化成這些精密的材料，需要的溫度超過1000℃，這對于大規模減緩碳排放來說非常不現實。

相比之下，科研人員發現的這種可以在400℃左右發生的過程，是可以在工業領域實現的。

串聯兩步

論文第一作者、布魯克海文國家實驗室和哥倫比亞大學研究人員謝振華（音）說：“如果把反應分解為幾個子反應步驟，可以考慮使用不同種類的能量輸入和催化劑來使反應的每一部分發揮作用。”

研究人員首先意識到，在制造碳納米纖維（CNF）方面，一氧化碳（CO）是一種比二氧化碳更好的原始材料，于是回過頭來尋找從二氧化碳中產生一氧化碳的最有效方法。

該團隊的早期工作引導他們使用一種由碳負載鈀制成的市售電催化劑，將二氧化碳和水（H₂O）分解為一氧化碳和氫氣。

在第二步中，科學家轉向了一種由鐵鈷合金制成的熱活化熱催化劑。它在400℃左右的溫度下運行，比直接將二氧化碳轉化為CNF所需的溫度要溫和得多。他們還發現，添加一點額外的金屬鈷，可以大大增強碳納米纖維的形成。

陳景光表示：“我們正在通過將電催化和熱催化相串聯的工藝，來實現單靠這兩種工藝都無法實現的目標。”

催化劑表征

為了發現這些催化劑如何運作的細節，研究人員進行了廣泛的實驗。其中包括計算建模研究、布魯克海文實驗室國家同步加速器光源II（NSLS-II）的物理和化學表征研究——使用快速X射線吸收和散射（QAS）和內殼層光譜（ISS）束線，以及電子顯微鏡設施的微觀成像。

在建模方面，科學家們使用“密度泛函理論”（DFT）計算，來分析催化劑與活性化學環境相互作用時的原子排列和其他特性，得以確切了解催化劑在反應過程中的作用。”

同時，研究人員分析確認，隨著碳納米纖維的生長，催化劑被向上推離表面，這樣可以很容易地回收催化金屬。

“通過使用酸將金屬浸出，不會破壞碳納米纖維，我們就可以濃縮金屬，并將其回收再用作催化劑。”陳景光表示。

催化劑的可回收性、商業可用性，以及第二反應相對溫和的反應條件，都有助于對與該過程相關的能源和其他成本進行有利的評估。

因而，技術結果和分析表明，這種串聯策略為將二氧化碳脫碳成為有價值的固體碳產品，同時生產可再生氫氣打開大門。

如果再進一步，這些過程由可再生能源驅動，結果將是真正的負碳排放，為緩解碳排放開辟新的機會。

相關論文信息：http://doi.org/10.1038/s41929-023-01085-1

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