你每天呼出的二氧化碳也能变成燃料了？据说商业化已经指日可待！

能有效地利用电分解CO₂分子的两种全新电解技术

二氧化碳（CO₂）是生命活动的废弃物，每年都有几十亿吨的CO₂排放至空气中。然而，将CO₂回收再利用为有价值的燃料和化学品需要消耗大量的能源，因此这必将是件很难具有经济价值的事情。

但这事有了转机！有了转机！有了转机！

2017年8月，美国化学学会的研究人员表示，他们找到了两种将CO₂有效转化为高能产品的途径。不仅如此，该研究还能帮助解决另外一个亟待解决的问题：因为这两种方法都需要一个具有稳定电子流的电源，这就可以帮助消耗掉那些还无法存储在电网中的太阳能和风能。

科学家们曾经绞尽脑汁促进CO₂变成燃料，难！

为了回收CO₂，多个研究组一起打响了攻坚战。

例如，一些研究人员正在尝试模拟光合作用，利用阳光将分子转化为碳水化合物。但是这种模拟反应通常需要在1000 ℃的高温下运行。

另外一些化学家则倾向于采用更传统的方法进行类似的反应，在有电和特殊催化剂的情况下，这些反应可以在电化学电池中接近室温进行。这种电解方法的第一步是将具有惰性而且稳定的CO₂分解成氧和一氧化碳（CO）。CO是一种在能量方面较活跃的分子，它可以像甲醇那样成为碳氢燃料。将被催化剂覆盖的两个电极浸在盛有水的烧杯后，这一反应即开始进行。在两个电极之间的电子流进行分离反应，分解水和二氧化碳，最终产生一氧化碳和更多的水。

但问题是，这个反应本应只需要1.33伏的电，比一节AA电池提供的电还略少。但在实践中，为了能以更快的速度驱动反应，研究人员必须将电压再提高大约1伏左右。然而这个额外的电压相当于一个能源超载，称为超电势，降低了电池的效率。

另一个问题在于大多数催化剂更倾向于将可用电子转化为水分解的反应，而不是将CO₂转化为CO。

再如，2011年，佛罗里达州博卡拉顿市二氧化物材料公司（Dioxide Materials）首席执行官理查德•马歇尔（Richard Masel）领衔的研究组在由银、氧化铱催化剂和液体电解质组成的装置中测试了将CO₂酶促反应成CO的反应。这种装置的电解质中含有一种名为咪唑的化学物质，这种化学物质可以在镀银的电极周围形成保护层。这一设计促进了催化剂将电子转化为CO₂，从而阻止了水分解反应，而且这种装置产生CO只需要0.17伏的超电势。但是这种装置内的咪唑离子液体价格昂贵，腐蚀性很强。随后，该研究组创新采用CO₂材料制造出一种耐用且廉价的塑料薄膜，当把这种薄膜放置在银电极上时，它能起到同样的阻止水分解反应的作用。

处理CO2规模升级，商业化指日可待

2016年，据该公司报告他们已经成功地制造了这种薄膜。之后在美国化学学会上，该公司的化学家理查德•妮（Richard Ni）报告表示，使用他们的设备产生一氧化碳的效率几乎是塑料膜的两倍。妮还报告说，他们最近对装置进行了升级，升级后的装置将CO₂转化为CO的效率是其他同等规模装置的两倍。升级后的装置可能会帮助他们进行大规模的CO₂处理。此外，该设备能连续6个月稳定运行。

“以上这些都是很好的结果，”来自美国宾夕法尼亚州匹兹堡国家能源技术实验室的化学家施凡（Fan Shi）表示，而且她认为以上设施能发展出商业化的产品。

产品研发竞争激烈

并非只有这家公司独自行进在将这一过程商业化的道路上。

化学巨头巴斯夫（BASF）已经宣布计划用类似的方法生产液态甲醇燃料。

一家名为Sunfire的德国公司也在2017年5月宣布，该公司已经生产出一种名为“蓝色原油”的合成燃料，该燃料是由二氧化碳和水在高温处理的过程中得到的。

与此同时，二氧化物材料公司已经通过增大电极的方法来提高CO的产出量，他们已经将电极的尺寸从比美国邮票还小的方块扩大到比成年人手还大的方块。而且该公司已经与工业巨头明尼苏达矿务及制造业公司（3M）合作，希望采用卷轴工艺生产他们需要的咪唑膜。该公司还与林德公司（Linde）和西门子公司等工业化学生产商进行了讨论，探讨可能获得大量纯净CO₂并生成大量可再生能源的地方。

“为了取得真正广泛的影响，该公司可能需要找到比银和氧化铱更便宜的电极催化剂”，来自哈佛大学的化学家王昊天（Haotian Wang）表示。实际上，该公司正在寻找更便宜的电极催化剂，以取代铱这种稀有而且昂贵的金属。

产品开发，更多尝试

美国伊利诺伊大学乌尔瓦纳分校的化学家保罗•凯尼斯（Paul Kenis）在美国化学学会上提出另外一个愿景。尽管将CO₂转化成CO是最简单的选择，但凯尼斯和另外一些人还是在试图将CO₂转化成一系列具有更高利用价值的碳氢化合物，例如甲烷、甲酸、甲醇等。但是这些反应更复杂，不仅需要电子源而且还需要质子源。为了使这些反应顺利进行，研究人员通常使用阳极将水分子分解成质子、电子和氧，然后将质子和电子供给到阴极，这些质子和电子与二氧化碳在阴极进行反应从而生成碳氢化合物。问题在于，水分解反应需要消耗大量的能源。

在美国化学学会上，凯尼斯报道其领衔的研究团队制造出了一种CO₂分裂装置，这种装置阳极用甘油取代水（在生物柴油的生产过程中数以吨计地产生副产品——甘油）。凯尼斯表示，该团队已证实用甘油取代水能够将超电势降低到原来的2/3，并且能生产出甲酸，而甲酸化学合成过程中的重要原料。但同时凯尼斯也承认新改装仪器也可能会生产出其他尚不知道的产物，该设备商业化确实还有很长的路要走。

帕萨迪纳加州理工大学的化学家威廉•哥达德（William Goddard）认为，利用现有垃圾并转化它，是真正有意义、有潜力的事情。

参考来源：Science

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