新材料：了解科學家將二氧化碳轉化為碳納米纖維過程

　　美國能源部宣布，布魯克海文國家實驗室和哥倫比亞大學的研究人員聯合開發了一種耦合電化學和熱化學反應的新技術，能將二氧化碳轉化為碳納米纖維，這種材料具有廣泛性能和許多潛在用途。

　　該技術可在相對較低的溫度和環境壓力下，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。這項研究近日發表于《自然-催化》。

　　“你可以把碳納米纖維放到水泥里。”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，該工藝還可以用來生產氫氣，這是一種很有前途的替代燃料，使用時可實現零排放。

　　捕獲二氧化碳，或將其轉化為其他材料，以應對氣候變化的想法并不新鮮，但簡單地儲存二氧化碳會導致泄漏。許多轉化二氧化碳產生的碳基化學品或燃料會立即投入使用，從而導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化為一種既具有附加值又堅固有用的物質。”

　　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、熱導率和電導率。但從二氧化碳中提取碳并將其轉化為這些精密的材料，需要超過1000℃的溫度，這對于大規模減排來說并不現實。

　　相比之下，科研人員研發的這種工藝可以在400℃左右實現，是能夠在工業領域使用的。

　　論文第一作者、布魯克海文國家實驗室和哥倫比亞大學研究人員謝振華(音)說：“如果把反應分解為幾個子反應步驟，就可以考慮利用不同種類的能量輸入和催化劑使反應的每一部分都發揮作用。”

　　研究人員首先意識到，在制造碳納米纖維方面，一氧化碳是一種比二氧化碳更好的原始材料，于是便開始尋找從二氧化碳中產生一氧化碳的有效方法。

　　該團隊的早期工作引導他們使用一種由碳負載鈀制成的市售電催化劑，將二氧化碳和水分解為一氧化碳和氫氣。

　　在第二步中，科學家轉向一種由鐵鈷合金制成的熱活化熱催化劑，后者在400℃左右的溫度下運行，比直接將二氧化碳轉化為碳納米纖維所需的溫度要溫和許多。他們還發現，添加一些額外的金屬鈷，可以促進碳納米纖維的形成。

　　陳景光表示：“我們正在通過將電催化和熱催化相串聯的工藝，實現單靠這兩種工藝都無法實現的目標。”

　　為了搞清這些催化劑如何運作，研究人員進行了廣泛的實驗，包括計算建模研究、物理和化學表征研究，以及使用電子顯微鏡的微觀成像研究。

　　在建模方面，科學家使用密度泛函理論分析了催化劑與活性化學環境相互作用時的原子排列和其他特性，從而能夠確切了解催化劑在反應過程中的作用。

　　同時，研究人員分析確認，隨著碳納米纖維的生長，催化劑被推離表面，從而可以更容易地回收催化金屬。

　　“用酸將金屬浸出就不會破壞碳納米纖維，這樣我們就可以將金屬濃縮，并將其回收再用作催化劑。”陳景光表示。

　　催化劑的可回收性、商業可用性，以及第二反應相對溫和的反應條件，都有助于對與該過程相關的能源和其他成本進行評估。

　　研究結果表明，這種串聯策略為將二氧化碳脫碳成為有價值的固體碳產品，同時生產可再生氫氣打開了大門。

　　研究人員表示，再進一步，如果這些過程由可再生能源驅動，結果將是真正的負碳排放，為緩解碳排放開辟新的路徑。