二氧化碳变燃料

华中科技大学，徐长发，2017.10.20

人类生活大量排放二氧化碳，造成温室效应，全球气候变暖。于是，全球都在努力减少碳排放；绿色能源的研究和应用如火如荼。同时，科学家们也在研究二氧化碳的分解，如果二氧化碳可以方便、便宜地分解为可燃烧的一氧化碳，或者利用二氧化碳生产出其它可燃气体，岂不是既可以废气再利用、扩充了能量来源，又不用太惧怕碳排放了吗。

虽然二氧化碳分子的结构比较稳定，但早就有人设想过，二氧化碳应该能够分解为碳、一氧化碳和氧。早期，就有人做过研究，例如

用巨大的能量可以把二氧化碳分解为碳和氧，因为花费的能量太多，所以此法不实用。

在催化剂和1000℃的高温作用下，二氧化碳可以分解并能够与氢反应，产生一氧化碳和甲烷，但二氧化碳的分解效率低，此法也不实用。

随着绿色能源研究的升温，科学家们又重新重视这个问题了，他们开拓了一些新的思路，寻找方便实用且成本低廉的催化剂，思考用二氧化碳生产出一氧化碳、氢、氧、和其它的可燃物。

一．二氧化碳分解为一氧化碳和氧气的新方法

据《自然•能源》杂志的新进展报道，瑞士理工学院的科学家们为了把二氧化碳转化为一氧化碳、氧气和其他副产品，采用了新型的催化剂。他们先用氧化铜纳米颗粒做一个多孔板，再覆盖一层接近单原子厚度的锡纳米材料，这种板既是电极，又是催化剂；催化剂接触面积大，催化效果好，能将13.4%的二氧化碳转化为一氧化碳、氧气和其他副产品。

该技术采用太阳能电源，是一种电解加催化的技术原理。该技术采用的催化剂方便可得，成本低廉。该技术采用了纳米技术，还采用膜技术，有效地把一氧化碳和氧分离出来，而且转化和分离过程简便、效果好。

当然，生产出来的一氧化碳又可以继续与氢气结合，再生成各种碳氢化合物燃料。例如，甲醇、乙醇等动力燃料。

二．二氧化碳转化生成甲酸和乙醇的新方法

中科院和上海科技大学低碳能源联合实验室，近来在电解催化二氧化碳转化生成甲酸和乙醇方面均取得重要进展。

该技术采用的催化剂是由金属钯（Pd）、锡（Sn）组成的合金，催化效果优异。该技术只需施加非常低的电压，催化剂就能将所输入电能的99%用于驱动CO2的分解转化。该技术的生成物是高附加值化学品——甲酸。甲酸是基本有机化工原料之一，广泛用于农药、皮革、染料、医药和橡胶等工业。此项研究以CO2为原料，利用可再生电能，例如太阳能，高效率合成甲酸，显示出良好的应用前景。

该研究团队还开发出了氮掺杂的介孔碳材料用于电解催化CO2。通过调控氮碳催化剂表面活性点的结构和催化剂的孔道结构，成功实现了CO2直接转化生成乙醇。乙醇也是用途非常广泛的基础化学品之一，可应用于合成醋酸、饮料、香精、染料、燃料等，产业前景巨大。

三．二氧化碳和水转化生成一氧化碳、氢和氧

美国桑迪亚国家实验室的研究人员尝试在水中电解催化二氧化碳的效果。

他们采用的催化剂是碳氮铜纳米材料，先把碳纳米材料做成钉子形状（每颗钉子有尖峰）并把它们按纹理排列起来，再把氮铜纳米镶在尖峰上，这种催化剂的纹理可保证在多个位点上同时具有激活和催化作用，把这样的催化剂做成电极。

把这种电极放入含有二氧化碳的水中，直接生成了乙醇，而且，二氧化碳转化率达到65%，其余的二氧化碳转化为一氧化碳和甲烷，真是有点神奇。

该技术的关键亮点有3个：一是催化剂设计了纹理，不同的纹理会有不同的催化效果；二是在水中进行催化，实际上是水和二氧化碳同时被催化；三是只需一个步骤就完成了电催化生成乙醇的工作。这项研究成果具有非常好的实用前景。

四．人工光合作用

神奇的光合作用一直是人们着迷的，叶绿素利用阳光就能把二氧化碳和水转化为营养物质和氧气。现在，科学家们已经完全搞清楚了光合作用的过程和机理。

光合作用是一个生物化学过程，阳光是能量，阳光和叶绿素是电解催化剂，简单地说，植物光合作用有几个步骤：首先，叶绿体中的叶绿素收到光照射后，能够将水分解为氧气和氢离子和电子；随后，氢离子和电子与叶片吸收的二氧化碳一起，被叶绿体中的酶用来合成了糖类；最后，氧气被释放出去，而糖类则留在植物体内被植物使用。

人工模仿光合作用是利用阳光、水和二氧化碳生产出能量物质（例如一氧化碳、氧和其它可燃的碳氢化合物）储存起来，而不是像叶绿体那样生产出糖类物质。关于这方面的研究，科学家们现在已经有了突破性的进展。该方法先模仿叶绿素的分子结构，制作出人工叶绿体，实际上就是一种特殊的催化剂，在光的照射下，它能够按照特殊需要去实现电子转移，从而使水和二氧化碳变为一氧化碳、氧气和氢气。

这种人工叶绿体可用于改善环境，可用于室内消耗二氧化碳并产生氧气，用处多多。

五．二氧化碳加氢可生产出汽油

中科院大连化物所研究团队，通过设计一种新型多功能复合催化剂，首次实现了二氧化碳直接加氢制取高辛烷值汽油，而且转化效率高，被同行誉为“二氧化碳催化转化领域的突破性进展”。该研究成果于2017年在英国《自然-通讯》杂志上发表。

该技术中采用了自行设计的复合催化剂，它包含三种相互兼容、相互补充的活性位。CO2首先在Fe3O4活性位上经逆水气变换反应还原为CO；生成的CO在Fe5C2活性位上实现合成反应，转化为α-烯烃；随后，该烯烃中间物迁移到分子筛上的酸性位上，选择性生成汽油馏分烃。参见下图。该技术对三种活性位结构和空间排布的精准调控是实现CO2加氢制汽油的关键。

在实际工业生产条件下，该催化剂能有效避免反应中出现甲烷和一氧化碳等小分子化合物，而主产物液态烃能够占到78%，如果实现规模性生产，其转化效率还会进一步提高；其次，生产出的汽油的苯、烯烃和芳香烃的组成满足国五标准，主要以高辛烷值的同分异构体和芳香烃组成。该催化剂能够在高效产能下稳定运转1000小时以上。

该技术为解决温室效应提供了新思路。该技术可以让人们不再为风力发电、太阳能发电的不稳定性而烦恼，可把这些电力用于“碳转油”的生产上，也为这些可再生能源提供了新兴市场。该技术还在能源储存问题上实现了突破。该技术的应用前景不可低估。

附带地想到，既然二氧化碳加氢能够变成石油，那么地球上的石油就不全是有机物生成的。无机物二氧化碳和氢在自然界的某种条件下，也完全可能生成烃类物质，再演变为石油。

综上所述，科学家们采用廉价可得的材料做成纳米催化剂，用多种方法和途径实现了二氧化碳转变为燃料。虽然这些技术目前还处在实验室，但是离实用也不遥远了。二氧化碳也有很多可利用的价值。看来，要想减轻温室效应，控制二氧化碳的排放固然重要，捕集和利用二氧化碳也很重要。

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