研究人員發(fā)現(xiàn)將二氧化碳轉(zhuǎn)化成碳納米纖維新策略
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】隨著氣候問(wèn)題的日益嚴(yán)峻和人類對(duì)于環(huán)保概念的愈加重視，如何從源頭減少二氧化碳排放和降低大氣中二氧化碳的含量已經(jīng)成為科學(xué)界重點(diǎn)研究方向。開展大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化二氧化碳捕集、利用與封存(Carbon Capture, Utilization and Storage，簡(jiǎn)稱 CCUS)技術(shù)示范應(yīng)用，可為碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要支撐，對(duì)服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色發(fā)展意義重大。
近日，美國(guó)能源部(DOE)宣布，其布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven National Laboratory)和哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)研究人員聯(lián)合開發(fā)了一種耦合電化學(xué)和熱化學(xué)反應(yīng)的新策略，能將強(qiáng)效溫室氣體二氧化碳(CO 2)轉(zhuǎn)化為碳納米纖維，這種材料具有廣泛的獨(dú)特性能和許多潛在的長(zhǎng)期用途。相關(guān)研究成果于近日發(fā)表在《自然-催化》(Nature Catalysis)期刊。
新方法可在相對(duì)較低的溫度和環(huán)境壓力下進(jìn)行，成功地將碳鎖定在固體形態(tài)的物質(zhì)中，以抵消碳排放甚至實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放。“你可以把碳納米纖維放入水泥中來(lái)增強(qiáng)水泥。”論文通訊作者之一、哥倫比亞大學(xué)化學(xué)工程教授陳景光(音)介紹，“這將把碳鎖在混凝土中50年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間。”此外，該工藝還生產(chǎn)氫氣(H2)，這是一種很有前途的替代燃料，使用時(shí)可實(shí)現(xiàn)零排放。
新工作的特別之處在于，試圖將CO2轉(zhuǎn)化為具有附加值且堅(jiān)實(shí)的固體碳材料。這種固體碳材料含有尺寸為十億分之一米的碳納米管和納米纖維，具有許多吸引人的特性，包括強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。但是，從CO2中提取碳并使其組成精細(xì)的結(jié)構(gòu)并不是一件簡(jiǎn)單的事情。
為了發(fā)現(xiàn)這些催化劑如何運(yùn)作的細(xì)節(jié)，研究人員進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)。其中包括計(jì)算建模研究、布魯克海文實(shí)驗(yàn)室國(guó)家同步加速器光源II(NSLS-II)的物理和化學(xué)表征研究——使用快速X射線吸收和散射(QAS)和內(nèi)殼層光譜(ISS)束線，以及電子顯微鏡設(shè)施的微觀成像。
同時(shí)，研究人員開發(fā)了串聯(lián)兩步法。該方法將反應(yīng)分解為多個(gè)階段，用兩種不同類型的催化劑，使分子更容易聚集在一起并作出反應(yīng)。團(tuán)隊(duì)首先用一種由碳負(fù)載的鈀制成的電催化劑，將CO2和水分解成一氧化碳和氫氣。接著團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了一種由鐵鈷合金制成的熱活化催化劑。它在400℃左右的溫度下工作，比直接將CO2轉(zhuǎn)化為碳納米纖維所需的溫度要溫和得多。通過(guò)電催化和熱催化的耦合，團(tuán)隊(duì)使用這種串聯(lián)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)使用任何一個(gè)過(guò)程都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
研究人員稱，這種催化劑回收的便利性、催化劑的商業(yè)可用性以及第二反應(yīng)相對(duì)溫和的反應(yīng)條件，有助于降低與該過(guò)程相關(guān)的能源成本。如果這些過(guò)程由可再生能源驅(qū)動(dòng)，其結(jié)果將是真正的負(fù)碳排放，可為緩解CO2的排放效應(yīng)開辟新途徑。
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