研究人员提出将垃圾变为燃料的两种新方法

两种新的电解技术有效地利用电分解二氧化碳分子。资料来源:查尔斯·温特斯

二氧化碳是社会的最终废物。每年有数十亿吨二氧化碳排放到大气中。然而，将其转化为有价值的燃料和化学品通常需要太多的能源，这使得它在经济上不合理。在美国化学学会(ACS)最近的会议上，研究人员报告发现了两种将二氧化碳转化为富含能量的副产品的有效方法。

如果实施，它们将有助于解决另一个紧迫的问题:因为这两种方法都需要来自电源的稳定的电子流，它们可以吸收所有“失去的”太阳能和风能，这些能量不能储存在当前的电网中。

为了回收二氧化碳，一些研究人员正在模拟光合作用，利用阳光将分子转化为碳水化合物。但是这些太阳能反应堆通常需要在1000℃的高温下运行。其他化学家支持在接近室温的电化学电池中进行类似反应的更传统的方法，这种电池需要电和特殊的催化剂。

类似电子路径的第一步是将顽固稳定的CO2分子分解成氧气和一氧化碳(CO)，后者是一种能量稍高的分子，可用作形成甲醇等碳氢燃料的基础。该过程从两个覆盖有催化剂的电极开始，这两个电极浸没在装满水的烧杯中，并用CO2溶解。这些电极之间的电子流将分别反应，分离水和二氧化碳，最终产生一氧化碳和更多的水。

理论上，它只需要1.33伏的电流，比5号电池的电压低。但是在实践中，研究人员必须将它提高大约1伏，以使反应快速进行。额外的电量称为额外电压，这会降低电池的效率。另一个问题是，大多数催化剂将导致更多可用的水的电子分解，而不是将二氧化碳转化为一氧化碳

2011年，由佛罗里达州博卡拉顿首席执行官兼化学家理查德·马塞尔(Richard Masel)领导的一个团队使用氧化银和氧化铱催化剂以及电解质来验证一套设备，以提高从二氧化碳到一氧化碳的转化反应。电解液中含有一种叫做咪唑盐的化合物，它可以在镀银电极周围形成保护层。这将防止水裂化反应，并将促使催化剂将几乎所有的电子转化为CO2。它也将在仅0.17伏的附加电压下形成一氧化碳。然而，离子液体是昂贵的和腐蚀性的，所以该公司开始制造一种耐用和廉价的塑料薄膜，当覆盖一层银电极时，它可以执行同样的功能。

去年，该公司表示已经成功制作了这部电影。在美国化学学会会议上，二氧化硅材料公司的化学家理查德·尼报告说，用它生产一氧化碳的效率几乎是最好的下一代薄膜的两倍。倪在报告中还表示，通过最新升级，他们的电池将二氧化碳转化为一氧化碳的速度是同等规模的其他二氧化碳电解槽的两倍。如果规模按比例扩大，将有助于处理大量二氧化碳。倪补充说，该公司的设备保持稳定，并没有退化后，6个月的连续运作。

“这些都是非常好的结果。”宾夕法尼亚州匹兹堡国家能源技术实验室的化学家樊氏说，他认为这是一种足够成熟的商业产品。该公司并不是唯一一家试图将这一过程商业化的公司。化工巨头巴斯夫宣布计划用同样的方法生产液态甲烷。一家名为Sunfire的德国公司也在今年5月宣布，它正在生产“蓝色原油”——一种由二氧化碳和水通过高温过程转化而成的合成柴油。

与此同时，该公司将电极的尺寸从小于美国邮票的正方形扩大到大于成人手掌的正方形，从而允许更大的一氧化碳通量。此外，该团队还与行业巨头3M合作生产咪唑薄膜卷。该公司还与林德和西门子等工业化学品生产商合作，探索在哪里可以获得纯二氧化碳废物和剩余的可再生能源。“这将非常关键。”石说:“我们可以在电力需求低的时候储存能量。”

为了产生大规模的影响，哈佛大学化学家王浩天说，公司可能需要找到比银和氧化铱更便宜的电极催化剂。倪说，该公司正在寻找更便宜的替代品，以取代稀有贵金属氧化铱。

在美国化学学会会议上，伊利诺伊大学厄巴纳分校的化学家保罗·肯尼斯提出了另一个长期愿景。尽管将二氧化碳转化为一氧化碳是最简单的选择，但肯尼斯和其他人仍在尝试用更多的能量或更高的价格将二氧化碳一次转化为甲烷、甲酸、甲醇或其他复杂的碳氢化合物。然而，这些反应更加复杂，不仅需要电子源，还需要质子源。为了进行这些反应，研究人员通常使用阴极将水分子分解成质子、电子和氧气，然后将质子和电子注入阴极，在那里它们与二氧化碳反应生成碳氢化合物。水解通常需要更多的能量。

在美国化学学会的会议上，肯尼斯报告说，他的团队已经建立了一个二氧化碳分解设施，可以用一种叫做甘油的液体(数吨来自生物质发电厂的废物)代替阳极的水。Kenis说，通过使用甘油，他的团队可以将系统中额外的能量消耗减少近2/3，并产生可广泛用于化学合成的甲酸。Kenis坦率地说，这种新设备可能会产生他们还不知道的副产品，而且离转化为商业技术还有很长的路要走。加州理工学院化学家威廉·戈达德说他对这个想法印象深刻。“现在人们普遍认为，垃圾的转化和利用技术具有真正的潜力。”他说。(晋南编)

中国科学新闻(2017-09-12第三版国际版)