作者:张楠 来源:中国科学报 发布时间:2024/1/19 10:52:00
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炼金术?二氧化碳可转化成碳纳米纤维

 

日前,美国能源部宣布,其布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学研究人员联合开发了一种耦合电化学和热化学反应的新策略,能将强效温室气体二氧化碳(CO 2)转化为碳纳米纤维,这种材料具有广泛的独特性能和许多潜在的长期用途。


该策略可在相对较低的温度和环境压力下,将碳锁定在固体形态的物质中,以抵消甚至实现负碳排放。这项工作1月11日发表在《自然—催化》期刊。


“你可以把碳纳米纤维放入水泥中来增强水泥。”论文通讯作者之一、哥伦比亚大学化学工程教授陈景光(音)介绍,“这将把碳锁在混凝土中50年,甚至更长时间。”


此外,该工艺还生产氢气(H2),这是一种很有前途的替代燃料,使用时可实现零排放。


捕获或转化


捕获二氧化碳,或将其转化为其他材料,以应对气候变化的想法并不新鲜,但简单地储存二氧化碳气体会导致泄漏。许多二氧化碳转化产生的碳基化学品或燃料会被立即使用,从而导致二氧化碳被释放回大气。


陈景光说:“我们试图将二氧化碳转化为一种具有附加值但又坚固有用的物质。”


这种固体碳材料——包括尺寸为十亿分之一米的碳纳米管和纳米纤维——具有许多吸引人的特性,包括强度、热导率和电导率。但从二氧化碳中提取碳并将其转化成这些精密的材料,需要的温度超过1000℃,这对于大规模减缓碳排放来说非常不现实。


相比之下,科研人员发现的这种可以在400℃左右发生的过程,是可以在工业领域实现的。


串联两步


论文第一作者、布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学研究人员谢振华(音)说:“如果把反应分解为几个子反应步骤,可以考虑使用不同种类的能量输入和催化剂来使反应的每一部分发挥作用。”


研究人员首先意识到,在制造碳纳米纤维(CNF)方面,一氧化碳(CO)是一种比二氧化碳更好的原始材料,于是回过头来寻找从二氧化碳中产生一氧化碳的最有效方法。


该团队的早期工作引导他们使用一种由碳负载钯制成的市售电催化剂,将二氧化碳和水(H2O)分解为一氧化碳和氢气。


在第二步中,科学家转向了一种由铁钴合金制成的热活化热催化剂。它在400℃左右的温度下运行,比直接将二氧化碳转化为CNF所需的温度要温和得多。他们还发现,添加一点额外的金属钴,可以大大增强碳纳米纤维的形成。


陈景光表示:“我们正在通过将电催化和热催化相串联的工艺,来实现单靠这两种工艺都无法实现的目标。”


催化剂表征


为了发现这些催化剂如何运作的细节,研究人员进行了广泛的实验。其中包括计算建模研究、布鲁克海文实验室国家同步加速器光源II(NSLS-II)的物理和化学表征研究——使用快速X射线吸收和散射(QAS)和内壳层光谱(ISS)束线,以及电子显微镜设施的微观成像。


在建模方面,科学家们使用“密度泛函理论”(DFT)计算,来分析催化剂与活性化学环境相互作用时的原子排列和其他特性,得以确切了解催化剂在反应过程中的作用。”


同时,研究人员分析确认,随着碳纳米纤维的生长,催化剂被向上推离表面,这样可以很容易地回收催化金属。


“通过使用酸将金属浸出,不会破坏碳纳米纤维,我们就可以浓缩金属,并将其回收再用作催化剂。”陈景光表示。


催化剂的可回收性、商业可用性,以及第二反应相对温和的反应条件,都有助于对与该过程相关的能源和其他成本进行有利的评估。


因而,技术结果和分析表明,这种串联策略为将二氧化碳脱碳成为有价值的固体碳产品,同时生产可再生氢气打开大门。


如果再进一步,这些过程由可再生能源驱动,结果将是真正的负碳排放,为缓解碳排放开辟新的机会。


相关论文信息:http://doi.org/10.1038/s41929-023-01085-1


 
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