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Science子刊:科学家收集二氧化碳变废为宝

新能源黑科技|二氧化碳也可以由废变宝?

导语:有一天,你购买的汽油可能会来自于空气中的二氧化碳,而不是从地下的石油。未来燃油可直接来自空气中的二氧化碳,而非地下的石油?科学家们报道了一个新能源”黑科技“:该技术可大规模地将尾气中的二氧化碳转化成汽车燃油,从而大幅降低交通运输的碳足

Science子刊:科学家收集二氧化碳变废为宝

近日,国际顶尖学术期刊《Science》旗下《Science Advances》杂志上在线发表了美国康奈尔大学的化学工程师Lynden Archer的一篇研究论文,研究报道了科学家正在尝试把二氧化碳废气转化为有价值的东西——而且不能耗费太多能量。

我们人类在2014年向大气中排放了359亿吨的二氧化碳,其中大部分来自发电站燃烧煤和天然气,制造肥料和水泥,以及其他工业过程。Lynden Archer说,如果化学家能够捕获二氧化碳并以工业化的方式将其转化成其他产品的原料,那么“二氧化碳就不是累赘,而是礼物了。”

多年来,科学们一直在尝试贮藏从发电站和其他排放设施的废烟道气中捕获的二氧化碳,但主要是通过压缩进地下深处的办法。然而,如果没有大量补贴,这种昂贵的储存二氧化碳的方法在经济上是不可行的。把二氧化碳压缩进旧油田以采出更多的油是一个办法,但这还不够,而且考虑到目前的低油价,这种方法是否划算还不很难说。倡导利用二氧化碳而不是封存它的人希望能够将这种无用的废物转化为有价值的产品来获得利润。最可能实现的办法是将这种气体作为生产化学品的原料,这同时可以用一些更环保的东西替换掉石油化学品。

这些倡导者面临一个化学难题。二氧化碳是一种稳定的分子,它的化学键中并没有储藏太多能量。如果要利用二氧化碳,化学家需要输入能量,通常是通过加热,但这需要用电。大部分电来自燃烧煤或天然气的发电站——这又会向大气中排放更多的二氧化碳,甚至比捕获到的更多。

工程师,化学家和其他研究者指出,新技术正在改变这种局面。Xprize基金会能源与环境组的资深科学家Paul Bunje希望为解决方案提供一个大奖可以激励不同的技术团队。最近,该基金会宣布,有超过40个团队正在竞争一份2000万美金的大奖。这个名为Carbon XPrize的大赛的结果将会在2020年春季宣布。赢家的方案需要把最多的二氧化碳转化为净值最高的产品。有些团队考虑生产聚合物,或者替代汽油的燃料,或者工业化学品。

从长远来看,如果能有诸多不同的企业用二氧化碳生产这样或那样的化学品,构成一个碳利用工业,那足以改变世界。像气候变化这样大规模的问题需要多种解决方法,Bunje说。

Carbon Xpriea咨询委员会成员之一 Archer说:“现在的问题是化学界的人如何创造出新的反应,新的机理来将二氧化碳作为原料利用起来。”在《科学进展》(Science Advances)上,他提供了一个答案:一种在发电时,还能把二氧化碳转化为化工产品的燃料电池。Archer和他的学生Wadji Al Sadat 建造了一个原型反应器,可以使二氧化碳、铝和氧气结合生成草酸盐。草酸盐可以用于制造酸、除锈剂、织物染料以及其他工业化学品。

Archer深知尝试利用二氧化碳做环境友好型化工的陷阱所在。“通常这会因耗能过多而导致成本难以接受——但我们可以重新得到消耗了的能量,”他说,“这令我们感到惊喜。”

日本计划把二氧化碳变成能源

日本国际石油开发帝石(简称国际帝石)准备把自身排放的二氧化碳作为城市燃气的原料开展再利用业务。将从8月起在新潟县的气田生产原料,2030年之前生产可供应5万个家庭使用的城市燃气。二氧化碳的再利用技术正受到全世界的关注。国际帝石计划在应对气候变化的

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这种电池靠的是铝和空气的反应。电池里面,氧气和一个铝电极反应形成高活性的过氧化铝,过氧化铝可以和较为惰性的二氧化碳反应。这两个反应生成了草酸铝。Archer说,燃料电池从这些化学反应中捕获一部分能量,尽管需要一定的电压来驱动反应,但这个过程放出的电量比消耗的多。因为金属会被消耗掉,因此选择合适的金属就很关键。他选择铝是因为铝资源丰富,而且不贵。而且尽管生产铝的过程会排放二氧化碳,Archer希望他这个系统可以捕获足够多的二氧化碳来生成草酸盐,以抵消排放的二氧化碳。

康奈尔团队提醒说,他们并不完全了解这种电池涉及的化学反应。比如说,燃料电池的早期版本使用了一种被称为离子液体的昂贵材料充当电解液。如果离子液体在其中起到了关键作用而且不可替代,这些技术可能最终是不可行的,Archer说。

草酸盐的需求量并不大,许多致力于碳利用的创业公司生产的化学品的需求量也不大。但是有些公司目标更为宏大。Skyonic公司设在得克萨斯州圣安东尼奥的试验工厂可以捕获水泥厂排放的废气,并将其转化为石灰石和酸。Solidia Technologies公司将二氧化碳压缩进混凝土中。其他处于不同发展阶段的公司也致力用二氧化碳生产塑料、替代燃料和化学原料。

Howard Herzog说,许多承诺利用捕获的二氧化碳的项目好得有点不真实,不过他并没有指出具体是哪家公司。Herzog是麻省理工大学能源计划的高级研究工程师,也是封存碳的支持者。他说,“二氧化碳是使用过的能源。”如果不在产品的生命周期中投入更多的能源,想利用二氧化碳生产化学品或能源都是十分困难的。“你无法在能源方面获胜。热力学是这么告诉我们的,”Herzog说。

尽管Herzog承认某些此类的公司也许能够盈利,但他仍对碳利用对环境的潜在影响表示怀疑。作为2005年IPCC二氧化碳捕集和封存特别报告的主要作者,他认为报告中关于碳利用的结论仍然是成立的:减少全球排放量的可能性很小。即使化学工业利用二氧化碳来生产所有的产品——没有人认为这能实现——它们也不能抵消所有的排放。

加州伯克利一个创业公司Opus 12的创始人之一Kendra Kuhl清楚地知道,碳利用不会彻底解决世界的排放问题。Opus 12正在研究一个电化学的反应,以利用新颖的催化剂和可再生的电力把二氧化碳转化为聚合物原料和其他化学品。Kuhl说,Opus 12会参与Carbon XPriza的竞争。她说,即使没有足够的产品需求来消耗巨大的二氧化碳排放,考虑到继续挖掘化石燃料来养活石化行业带来的环境后果,尝试利用二氧化碳仍是值得尝试的。“化学行业需要一种新的方式。”

原文链接:

原文摘要:

Economical and efficient carbon capture, utilization, and sequestration technologies are a requirement for successful implementation of global action plans to reduce carbon emissions and to mitigate climate change. These technologies are also essential for longer-term use of fossil fuels while reducing the associated carbon footprint. We demonstrate an O2-assisted Al/CO2electrochemical cell as a new approach to sequester CO2 emissions and, at the same time, to generate substantial amounts of electrical energy. We report on the fundamental principles that guide operations of these cells using multiple intrusive electrochemical and physical analytical methods, including chronopotentiometry, cyclic voltammetry, direct analysis in real-time mass spectrometry, energy-dispersive x-ray spectroscopy, x-ray photoelectron spectroscopy, and coupled thermogravimetric analysis–Fourier transform infrared spectroscopy. On this basis, we demonstrate that an electrochemical cell that uses metallic aluminum as anode and a carbon dioxide/oxygen gas mixture as the active material in the cathode provides a path toward electrochemical generation of a valuable (C2) species and electrical energy. Specifically, we show that the cell first reduces O2 at the cathode to form superoxide intermediates. Chemical reaction of the superoxide with CO2 sequesters the CO2 in the form of aluminum oxalate, Al2(C2O4)3, as the dominant product. On the basis of an analysis of the overall CO2 footprint, which considers emissions associated with the production of the aluminum anode and the CO2captured/abated by the Al/CO2-O2 electrochemical cell, we conclude that the proposed process offers an important strategy for net reduction of CO2 emissions.

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