MIT新设计使碳捕获效率倍增 还能产出汽车燃料和

头条观察网 2021-02-02 10:47:41
浏览

财联社(上海,编辑 黄君芝)讯,收集和转化发电厂排放的二氧化碳的系统可能是遏制气候变化的重要工具,但大多数的此类系统都相对低效且昂贵。不过据报道,美国麻省理工学院(MIT)的研究人员日前开发了一种方法,可以显著提高系统的性能,利用催化表面来提高碳捕捉电化学反应的速度。

据了解,此类催化系统之所以是碳捕捉的一个有极具吸引力的选择,是因为它们可以生产有用、有价值的产品,如汽车燃料或化学原料。这些产出可为该过程提供优势,从而抵消降低二氧化碳排放的成本。

在这类系统中,通常是一股含有二氧化碳的气体通过水来输送二氧化碳进行电化学反应。该气体在水中移动较为缓慢,从而减慢了二氧化碳的转化速度。新设计则是确保了这股含有二氧化碳的气体一直集中在催化剂表面的水中,进而将系统的性能翻倍。

“二氧化碳捕获是我们时代的挑战。”MIT研究人员表示,“的确,捕获二氧化碳的方法有许多,包括地质封存、海洋储存、矿化和化学转化等。但当涉及到利用这种温室气体制造有用的、可销售的产品时,电化学转化是一种极具前景的方法,但它仍需要改进才能在经济上可行。我们的研究目标就是了解这个过程中的最大瓶颈是什么,并改善或缓解这个瓶颈。”

具体而言,研究人员发现,瓶颈在于如何将二氧化碳接触到催化剂的表面,从而促进所需的化学转化。在这些电化学系统中,含有二氧化碳的气体会在压力下与水混合,或者通过一个装有催化剂材料(如铜)的容器让其冒泡。然后,再施加电压以促进产生碳化合物的化学反应,此类碳化合物可以转变成燃料或者其他产品。

但这种系统中存在两个挑战:反应进行得非常之快,以至于它消耗二氧化碳的速度会超过供应的速度,从而将反应器中的二氧化碳迅速耗尽。一旦发生了这种情况,水分解成氢和氧的反应就会占上风,并会消耗掉投入到该反应中的大部分能量。

在此之前,研究人员曾试图通过修饰催化剂表面,以增加反应表面积,从而优化此类反应,但是未能达到预期结果,因为催化剂表面接触的二氧化碳不能跟上反应速率的增加,因此随着时间的推移,转而生产出氢气。

最终,研究人员通过在催化剂材料附近放置一种特殊材料来吸引气体,进而解决这些问题。这种材料是一种具有特殊纹理的“亲气”超疏水材料,它排斥水,但允许一层光滑的气体紧贴其表面。它使流入的二氧化碳恰好对着催化剂,从而使所需的二氧化碳转化反应最大化。

实验结果表明,新设计使碳转化反应的速率几乎翻了一番。而且这种反应还会持续一段时间,而在之前的实验中,这种反应很快就消失了。

此外,该系统还能以高速率产生乙烯、丙醇和乙醇(一种潜在的汽车燃料)。与此同时,氢反应被大幅削减了。尽管该项新研究能够通过微调系统产生所需的产品组合,但在某些应用中,可能也可以实现优化产氢以作为燃料的预期结果。

通过将二氧化碳集中在催化剂表面,新系统还产生了两种全新的、潜在有用的碳化合物,即丙酮和乙酸,这是以前在任何这样的电化学系统中都没有检测到的。

碳捕获“刻不容缓”

尽管在新冠疫情所导致的航空业停滞等因素的影响下,去年全球温室气体排放量减少了7%,但有研究认为,这种减排并不具持久性,在当前全球排放趋势无法扭转的情况下,预计到2100年,全球温度仍将上升3.2℃左右。而这个升幅的数值,将会超过《巴黎协定》设定的“将全球平均气温上升幅度控制在2℃以内”的目标。

更可怕的是,根据研究,即使所有的温室气体排放都停止,要想达到《巴黎协定》设定的气温目标,每年至少需要通过碳捕获从大气中吸出330亿吨的二氧化碳,大致相当于2018年全球化石燃料行业排放的二氧化碳总量(360亿吨)。

与其他方法相比,碳捕获技术正被广泛接受为一种安全且潜在有效的地球工程形式,拜登在他的竞选平台上也表达了对该技术的支持,并称其政府也将采取措施“加速开发和部署碳捕捉和封存技术”。

此前,特斯拉(Tesla Inc.)首席执行官、亿万富翁埃隆?马斯克(Elon Musk)更是在推特上“悬赏”1亿美元,来助力寻找最佳碳捕获技术。