煉金術(shù)？二氧化碳可轉(zhuǎn)化成碳納米纖維
日前，美國能源部宣布，其布魯克海文國家實驗室和哥倫比亞大學(xué)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特性能和許多潛在的長期用途。
該策略可在相對較低的溫度和環(huán)境壓力下，將碳鎖定在固體形態(tài)的物質(zhì)中，以抵消甚至實現(xiàn)負碳排放。這項工作1月11日發(fā)表在《自然—催化》期刊。
“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(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，甚至更長時間。”
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，使用時可實現(xiàn)零排放。
捕獲或轉(zhuǎn)化
捕獲二氧化碳，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為其他材料，以應(yīng)對氣候變化的想法并不新鮮，但簡單地儲存二氧化碳氣體會導(dǎo)致泄漏。許多二氧化碳轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的碳基化學(xué)品或燃料會被立即使用，從而導(dǎo)致二氧化碳被釋放回大氣。
陳景光說：“我們試圖將二氧化碳轉(zhuǎn)化為一種具有附加值但又堅固有用的物質(zhì)。”
這種固體碳材料——包括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、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。但從二氧化碳中提取碳并將其轉(zhuǎn)化成這些精密的材料，需要的溫度超過1000℃，這對于大規(guī)模減緩碳排放來說非常不現(xiàn)實。
相比之下，科研人員發(fā)現(xiàn)的這種可以在400℃左右發(fā)生的過程，是可以在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的。
串聯(lián)兩步
論文第一作者、布魯克海文國家實驗室和哥倫比亞大學(xué)研究人員謝振華（音）說：“如果把反應(yīng)分解為幾個子反應(yīng)步驟，可以考慮使用不同種類的能量輸入和催化劑來使反應(yīng)的每一部分發(fā)揮作用。”
研究人員首先意識到，在制造碳納米纖維（CNF）方面，一氧化碳（CO）是一種比二氧化碳更好的原始材料，于是回過頭來尋找從二氧化碳中產(chǎn)生一氧化碳的最有效方法。
該團隊的早期工作引導(dǎo)他們使用一種由碳負載鈀制成的市售電催化劑，將二氧化碳和水（H2O）分解為一氧化碳和氫氣。
在第二步中，科學(xué)家轉(zhuǎn)向了一種由鐵鈷合金制成的熱活化熱催化劑。它在400℃左右的溫度下運行，比直接將二氧化碳轉(zhuǎn)化為CNF所需的溫度要溫和得多。他們還發(fā)現(xiàn)，添加一點額外的金屬鈷，可以大大增強碳納米纖維的形成。
陳景光表示：“我們正在通過將電催化和熱催化相串聯(lián)的工藝，來實現(xiàn)單靠這兩種工藝都無法實現(xiàn)的目標。”
催化劑表征
為了發(fā)現(xiàn)這些催化劑如何運作的細節(jié)，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(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。
在建模方面，科學(xué)家們使用“密度泛函理論”（DFT）計算，來分析催化劑與活性化學(xué)環(huán)境相互作用時的原子排列和其他特性，得以確切了解催化劑在反應(yīng)過程中的作用。”
同時，研究人員分析確認，隨著碳納米纖維的生長，催化劑被向上推離表面，這樣可以很容易地回收催化金屬。
“通過使用酸將金屬浸出，不會破壞碳納米纖維，我們就可以濃縮金屬，并將其回收再用作催化劑。”陳景光表示。
催化劑的可回收性、商業(yè)可用性，以及第二反應(yīng)相對溫和的反應(yīng)條件，都有助于對與該過程相關(guān)的能源和其他成本進行有利的評估。
因而，技術(shù)結(jié)果和分析表明，這種串聯(lián)策略為將二氧化碳脫碳成為有價值的固體碳產(chǎn)品，同時生產(chǎn)可再生氫氣打開大門。
如果再進一步，這些過程由可再生能源驅(qū)動，結(jié)果將是真正的負碳排放，為緩解碳排放開辟新的機會。
相關(guān)論文信息：http://doi.org/10.1038/s41929-023-01085-1
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