美國能源部宣布，布魯克海文國家實驗室和哥倫比亞大學(xué)的研究人員聯(lián)合開發(fā)了一種耦合電化學(xué)和熱化學(xué)反應(yīng)的新技術(shù)，能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳納米纖維，這種材料具有廣泛性能和許多潛在用途。

　　該技術(shù)可在相對較低的溫度和環(huán)境壓力下，將碳鎖定在固體形態(tài)的物質(zhì)中，以抵消碳排放甚至實現(xiàn)負(fù)碳排放。這項研究近日發(fā)表于《自然-催化》。

　　“你可以把碳納米纖維放到水泥里?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、哥倫比亞大學(xué)化學(xué)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?！?/p>

　　此外，該工藝還可以用來生產(chǎn)氫氣，這是一種很有前途的替代燃料，使用時可實現(xiàn)零排放。

　　捕獲二氧化碳，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為其他材料，以應(yīng)對氣候變化的想法并不新鮮，但簡單地儲存二氧化碳會導(dǎo)致泄漏。許多轉(zhuǎn)化二氧化碳產(chǎn)生的碳基化學(xué)品或燃料會立即投入使用，從而導(dǎo)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(zhuǎn)化為一種既具有附加值又堅固有用的物質(zhì)?！?/p>

　　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(qiáng)度、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。但從二氧化碳中提取碳并將其轉(zhuǎn)化為這些精密的材料，需要超過1000℃的溫度，這對于大規(guī)模減排來說并不現(xiàn)實。

　　相比之下，科研人員研發(fā)的這種工藝可以在400℃左右實現(xiàn)，是能夠在工業(yè)領(lǐng)域使用的。

　　論文第一作者、布魯克海文國家實驗室和哥倫比亞大學(xué)研究人員謝振華(音)說：“如果把反應(yīng)分解為幾個子反應(yīng)步驟，就可以考慮利用不同種類的能量輸入和催化劑使反應(yīng)的每一部分都發(fā)揮作用。”

　　研究人員首先意識到，在制造碳納米纖維方面，一氧化碳是一種比二氧化碳更好的原始材料，于是便開始尋找從二氧化碳中產(chǎn)生一氧化碳的有效方法。

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

　　在第二步中，科學(xué)家轉(zhuǎn)向一種由鐵鈷合金制成的熱活化熱催化劑，后者在400℃左右的溫度下運(yùn)行，比直接將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳納米纖維所需的溫度要溫和許多。他們還發(fā)現(xiàn)，添加一些額外的金屬鈷，可以促進(jìn)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(lián)的工藝，實現(xiàn)單靠這兩種工藝都無法實現(xiàn)的目標(biāo)?！?/p>

　　為了搞清這些催化劑如何運(yùn)作，研究人員進(jìn)行了廣泛的實驗，包括計算建模研究、物理和化學(xué)表征研究，以及使用電子顯微鏡的微觀成像研究。

　　在建模方面，科學(xué)家使用密度泛函理論分析了催化劑與活性化學(xué)環(huán)境相互作用時的原子排列和其他特性，從而能夠確切了解催化劑在反應(yīng)過程中的作用。

　　同時，研究人員分析確認(rèn)，隨著碳納米纖維的生長，催化劑被推離表面，從而可以更容易地回收催化金屬。

　　“用酸將金屬浸出就不會破壞碳納米纖維，這樣我們就可以將金屬濃縮，并將其回收再用作催化劑?！标惥肮獗硎尽?/p>

　　催化劑的可回收性、商業(yè)可用性，以及第二反應(yīng)相對溫和的反應(yīng)條件，都有助于對與該過程相關(guān)的能源和其他成本進(jìn)行評估。

　　研究結(jié)果表明，這種串聯(lián)策略為將二氧化碳脫碳成為有價值的固體碳產(chǎn)品，同時生產(chǎn)可再生氫氣打開了大門。

　　研究人員表示，再進(jìn)一步，如果這些過程由可再生能源驅(qū)動，結(jié)果將是真正的負(fù)碳排放，為緩解碳排放開辟新的路徑。