研究人員發現將二氧化碳轉化成碳納米纖維新策略
【化工儀器網 項目成果】隨著氣候問題的日益嚴峻和人類對于環保概念的愈加重視，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成為科學界重點研究方向。開展大規模產業化二氧化碳捕集、利用與封存(Carbon Capture, Utilization and Storage，簡稱 CCUS)技術示范應用，可為碳減排目標的實現提供重要支撐，對服務國家戰略和經濟社會綠色發展意義重大。
近日，美國能源部(DOE)宣布，其布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)和哥倫比亞大學(Columbia University)研究人員聯合開發了一種耦合電化學和熱化學反應的新策略，能將強效溫室氣體二氧化碳(CO 2)轉化為碳納米纖維，這種材料具有廣泛的獨特性能和許多潛在的長期用途。相關研究成果于近日發表在《自然-催化》(Nature Catalysis)期刊。
新方法可在相對較低的溫度和環境壓力下進行，成功地將碳鎖定在固體形態的物質中，以抵消碳排放甚至實現負碳排放。“你可以把碳納米纖維放入水泥中來增強水泥。”論文通訊作者之一、哥倫比亞大學化學工程教授陳景光(音)介紹，“這將把碳鎖在混凝土中50年，甚至更長時間。”此外，該工藝還生產氫氣(H2)，這是一種很有前途的替代燃料，使用時可實現零排放。
新工作的特別之處在于，試圖將CO2轉化為具有附加值且堅實的固體碳材料。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，包括強度、導熱性和導電性。但是，從CO2中提取碳并使其組成精細的結構并不是一件簡單的事情。
為了發現這些催化劑如何運作的細節，研究人員進行了廣泛的實驗。其中包括計算建模研究、布魯克海文實驗室國家同步加速器光源II(NSLS-II)的物理和化學表征研究——使用快速X射線吸收和散射(QAS)和內殼層光譜(ISS)束線，以及電子顯微鏡設施的微觀成像。
同時，研究人員開發了串聯兩步法。該方法將反應分解為多個階段，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。團隊首先用一種由碳負載的鈀制成的電催化劑，將CO2和水分解成一氧化碳和氫氣。接著團隊轉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轉化為碳納米纖維所需的溫度要溫和得多。通過電催化和熱催化的耦合，團隊使用這種串聯過程實現了單獨使用任何一個過程都無法實現的目標。
研究人員稱，這種催化劑回收的便利性、催化劑的商業可用性以及第二反應相對溫和的反應條件，有助于降低與該過程相關的能源成本。如果這些過程由可再生能源驅動，其結果將是真正的負碳排放，可為緩解CO2的排放效應開辟新途徑。
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