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的東西，都有可能是由二氧化碳制成的。

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

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

加拿大納米技術研究主席、多倫多大學工程學院副院長泰德?薩金特（Ted Sargent）教授領導的團隊設計并主導了這項研究，相關論文以《在強酸中電解 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?薩金特擔任論文通訊作者。

另據(jù)悉，多倫多大學電氣與計算機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繼續(xù)相關領域的研究。

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，《地球和行星科學年度評論》（Annual Review of Earth and Planetary Sciences）科學期刊提供了一份迄今為止最詳細的二氧化碳變化數(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系，并預測二氧化碳的持續(xù)增加，將可能使人類重回 “史前氣溫”。

不管這個預測是否會成為現(xiàn)實，二氧化碳正在推動本世紀末升溫突破 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?？上в捎诩夹g等限制因素，目前捕獲的碳幾乎沒有任何經(jīng)濟價值，很難對投資方產(chǎn)生吸引力，因此極少能得到資金和技術方面的支持。

研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)強酸性條件下也可運行電解槽

“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。”

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中，電解質流過固體催化劑，通過該催化劑供電。

“我們想要的是反應器中溶解的二氧化碳吸收電子，轉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）下運行的報告中，大部分二氧化碳被浪費了，因為它被轉化為碳酸鹽。” 黃嘉楠表示。

黃嘉楠在接受媒體采訪時表示，這些轉化出來的碳酸鹽雖然可以被提取，也可重新轉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，開始吸收電子并轉化為氫氣，最終導致能夠與二氧化碳結合的電子寥寥無幾。

為了解決這一新問題，黃嘉楠所在團隊增加了電流密度，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% 的捕獲碳轉化成了有價值產(chǎn)品，遠超過之前不到 15% 的利用率。

道達爾公司的碳捕集和利用負責人菲利普?盧埃林評價稱：“在當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)濟可行性，如果進一步考慮到實現(xiàn)全球氣候目標所需的巨額碳稅時，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