變廢為寶的奇跡正在上演，也許不久后，我們喝水時手中的塑料瓶，睡覺時躺著的床墊…… 這些與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的東西，都有可能是由二氧化碳制成的。

近日，多倫多大學(xué)工程學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種改進(jìn)的電化學(xué)系統(tǒng)，通過將過剩的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品（如乙烯和乙醇），可提高捕獲二氧化碳的利用價值。

與此前電化學(xué)系統(tǒng)不同的是，該團(tuán)隊的電解槽可在強(qiáng)酸性條件下運(yùn)行，從而大大提高了碳轉(zhuǎn)化的比例。這有助于為捕獲的碳創(chuàng)造一個經(jīng)濟(jì)性市場，同時也可為當(dāng)今使用的基于化石燃料的制造過程提供一種低碳替代品。

加拿大納米技術(shù)研究主席、多倫多大學(xué)工程學(xué)院副院長泰德?薩金特（Ted Sargent）教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊設(shè)計并主導(dǎo)了這項研究，相關(guān)論文以《在強(qiáng)酸中電解 CO2 制作多碳產(chǎn)品》（“CO2 electrolysis to multicarbon products in strong acid”）為題，于 6 月 4 日發(fā)表在 Science 雜志上，其中泰德?薩金特?fù)?dān)任論文通訊作者。

另據(jù)悉，多倫多大學(xué)電氣與計算機(jī)工程系的博士黃嘉楠是該論文的第一作者，另外還有兩位研究員，分別是是阿德南?奧茲登（Adnan Ozden ）和李鳳旺，目前李鳳旺正在悉尼大學(xué)繼續(xù)相關(guān)領(lǐng)域的研究。

捕獲碳的價值尚未得到有效挖掘

二氧化碳對氣候的影響正在加劇，全球變暖、極端天氣頻發(fā)，一切似乎都在提醒人類一個事實：二氧化碳的治理已經(jīng)刻不容緩。

5 月 31 日，《地球和行星科學(xué)年度評論》（Annual Review of Earth and Planetary Sciences）科學(xué)期刊提供了一份迄今為止最詳細(xì)的二氧化碳變化數(shù)據(jù)。在這份數(shù)據(jù)中，時間跨度可追溯到 6600 萬年前，從上面能夠清楚地看出二氧化碳與氣候的關(guān)系，并預(yù)測二氧化碳的持續(xù)增加，將可能使人類重回 “史前氣溫”。

不管這個預(yù)測是否會成為現(xiàn)實，二氧化碳正在推動本世紀(jì)末升溫突破 3℃，這已經(jīng)是不爭的事實。在該趨勢下，國際能源署（IEA）最近提出了將碳捕獲和封存（Carbon Capture andStorage，簡稱 CCS）的策略，并認(rèn)為這將有利于限制全球碳排放量，從而在 2050 年將全球變暖限制在 1.5℃內(nèi) 。

相關(guān)資料顯示，CCS 是指將大型發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放源產(chǎn)生的二氧化碳收集起來，并用各種方法儲存以避免其排放到大氣中的一種技術(shù)?？上в捎诩夹g(shù)等限制因素，目前捕獲的碳幾乎沒有任何經(jīng)濟(jì)價值，很難對投資方產(chǎn)生吸引力，因此極少能得到資金和技術(shù)方面的支持。

研發(fā)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)強(qiáng)酸性條件下也可運(yùn)行電解槽

“在以前的系統(tǒng)中，你必須選擇是專注于電力的有效利用，還是碳的有效利用，” 泰德?薩金特說，“而此次我們團(tuán)隊在電解槽內(nèi)使用了一種新的催化劑，可以消耗大部分的輸入碳，同時還可以保持良好的生產(chǎn)力以生產(chǎn)理想的高價值產(chǎn)品?！?/p>

按照正常實驗程序，在電解槽中捕獲的二氧化碳溶解在液體電解質(zhì)中，電解質(zhì)流過固體催化劑，通過該催化劑供電。

“我們想要的是反應(yīng)器中溶解的二氧化碳吸收電子，轉(zhuǎn)化為乙烯和其他有使用價值的的產(chǎn)品。但是在之前在高 pH 值（即堿性或中性條件）下運(yùn)行的報告中，大部分二氧化碳被浪費(fèi)了，因為它被轉(zhuǎn)化為碳酸鹽。” 黃嘉楠表示。

黃嘉楠在接受媒體采訪時表示，這些轉(zhuǎn)化出來的碳酸鹽雖然可以被提取，也可重新轉(zhuǎn)化為二氧化碳并送回電解槽，但這樣做的能源成本很高。其團(tuán)隊的計算表明，整個系統(tǒng)消耗的能量中有一半以上將使用該方式回收碳酸鹽。

因此，研究人員必須通過一種方式來防止碳酸鹽的形成，而不是將形成的碳酸鹽提取再轉(zhuǎn)化。經(jīng)過多次嘗試，他們發(fā)現(xiàn)低 pH 值或酸性條件可以解決這個問題。

但是，新的問題也隨之出現(xiàn)，此時的電解槽里的酸性溶液，開始吸收電子并轉(zhuǎn)化為氫氣，最終導(dǎo)致能夠與二氧化碳結(jié)合的電子寥寥無幾。

為了解決這一新問題，黃嘉楠所在團(tuán)隊增加了電流密度，從而可生產(chǎn)出更多電子。這樣酸性溶液中的氫離子吸收電子時，由于質(zhì)量傳輸限制會陷入一種類似交通擁擠的狀況。然后，再向反應(yīng)器中添加帶正電的離子，即可形成電場，最終使二氧化碳更容易被吸附到表面，從而在與氫氣的競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

“實際上，我們正在創(chuàng)建一個完全屬于酸性環(huán)境的反應(yīng)器，除了催化劑表面不到 50 微米內(nèi)的一個小層，只有那個特定區(qū)域是微堿性的。在那里，二氧化碳可以被這些電子還原為乙烯?！?黃嘉楠說道。在這種方法下，新系統(tǒng)將超過 50% 的捕獲碳轉(zhuǎn)化成了有價值產(chǎn)品，遠(yuǎn)超過之前不到 15% 的利用率。

道達(dá)爾公司的碳捕集和利用負(fù)責(zé)人菲利普?盧埃林評價稱：“在當(dāng)前二氧化碳捕集成本很高的情況下，這一突破有助于為二氧化碳的捕獲利用鋪平道路，大大提高其經(jīng)濟(jì)可行性，如果進(jìn)一步考慮到實現(xiàn)全球氣候目標(biāo)所需的巨額碳稅時，電解槽的上市時間或許會明顯加快?！?/p>

雖然該研究在擴(kuò)大到工業(yè)層次和水平之前，還有一些障礙需要克服，比如催化劑在尺寸增加時的穩(wěn)定性等問題，但它的現(xiàn)實意義并不能被忽視。尤其是對氣候變化和能源利用而言，更具有決定性的戰(zhàn)略價值，值得我們持續(xù)關(guān)注并為之不懈探索。

參考：

https://phys.org/news/2021-06-acid-low-ph-recycles-carbon-valuable.html

編輯：jq