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科学家将二氧化碳转化为碳纳米纤维

文章来源：中国科学报更新时间：2024-02-01 16:37:51

本报讯 美国能源部宣布，布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学的研究人员联合开发了一种耦合电化学和热化学反应的新技术，能将二氧化碳转化为碳纳米纤维，这种材料具有广泛性能和许多潜在用途。

该技术可在相对较低的温度和环境压力下，将碳锁定在固体形态的物质中，以抵消碳排放甚至实现负碳排放。这项研究近日发表于《自然-催化》。

“你可以把碳纳米纤维放到水泥里。”论文通讯作者之一、哥伦比亚大学化学工程教授陈景光（音）介绍，“这将把碳锁在混凝土中50年，甚至更长时间。”

此外，该工艺还可以用来生产氢气，这是一种很有前途的替代燃料，使用时可实现零排放。

捕获二氧化碳，或将其转化为其他材料，以应对气候变化的想法并不新鲜，但简单地储存二氧化碳会导致泄漏。许多转化二氧化碳产生的碳基化学品或燃料会立即投入使用，从而导致二氧化碳被释放回大气。

陈景光说：“我们试图将二氧化碳转化为一种既具有附加值又坚固有用的物质。”

这种固体碳材料包括尺寸为十亿分之一米的碳纳米管和纳米纤维，具有许多吸引人的特性，包括强度、热导率和电导率。但从二氧化碳中提取碳并将其转化为这些精密的材料，需要超过1000℃的温度，这对于大规模减排来说并不现实。

相比之下，科研人员研发的这种工艺可以在400℃左右实现，是能够在工业领域使用的。

论文第一作者、布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学研究人员谢振华（音）说：“如果把反应分解为几个子反应步骤，就可以考虑利用不同种类的能量输入和催化剂使反应的每一部分都发挥作用。”

研究人员首先意识到，在制造碳纳米纤维方面，一氧化碳是一种比二氧化碳更好的原始材料，于是便开始寻找从二氧化碳中产生一氧化碳的有效方法。

该团队的早期工作引导他们使用一种由碳负载钯制成的市售电催化剂，将二氧化碳和水分解为一氧化碳和氢气。

在第二步中，科学家转向一种由铁钴合金制成的热活化热催化剂，后者在400℃左右的温度下运行，比直接将二氧化碳转化为碳纳米纤维所需的温度要温和许多。他们还发现，添加一些额外的金属钴，可以促进碳纳米纤维的形成。

陈景光表示：“我们正在通过将电催化和热催化相串联的工艺，实现单靠这两种工艺都无法实现的目标。”

为了搞清这些催化剂如何运作，研究人员进行了广泛的实验，包括计算建模研究、物理和化学表征研究，以及使用电子显微镜的微观成像研究。

在建模方面，科学家使用密度泛函理论分析了催化剂与活性化学环境相互作用时的原子排列和其他特性，从而能够确切了解催化剂在反应过程中的作用。

同时，研究人员分析确认，随着碳纳米纤维的生长，催化剂被推离表面，从而可以更容易地回收催化金属。

“用酸将金属浸出就不会破坏碳纳米纤维，这样我们就可以将金属浓缩，并将其回收再用作催化剂。”陈景光表示。

催化剂的可回收性、商业可用性，以及第二反应相对温和的反应条件，都有助于对与该过程相关的能源和其他成本进行评估。

研究结果表明，这种串联策略为将二氧化碳脱碳成为有价值的固体碳产品，同时生产可再生氢气打开了大门。

研究人员表示，再进一步，如果这些过程由可再生能源驱动，结果将是真正的负碳排放，为缓解碳排放开辟新的路径。（张楠）

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