麻省理工学院(MIT)和哈佛大学(Harvard)的科学家们取得了一项突破，可以将二氧化碳有效地转化为稳定、安全的甲酸，有可能取代化石燃料，适合长期储存和发电。
直接的方法是将温室气体转化为甲酸盐，这是一种可以无限期储存的固体燃料，可用于家庭供暖或电力工业。
全世界都在寻找从空气或发电厂废气中提取二氧化碳的方法，然后将其转化为有用的东西。一个更有希望的想法是把它变成一种稳定的燃料，在某些应用中可以取代化石燃料。但大多数这样的转化过程都存在低碳效率的问题，或者它们产生的燃料难以处理，有毒或易燃。
现在，麻省理工学院和哈佛大学的研究人员已经开发出一种有效的方法，可以将二氧化碳转化为甲酸盐，甲酸盐是一种液体或固体材料，可以像氢或甲醇一样用来为燃料电池提供动力并发电。甲酸钾或甲酸钠已经在工业规模上生产，通常用作道路和人行道的除冰剂，它们无毒、不易燃、易于储存和运输，并且在生产后的几个月甚至几年里，在普通钢罐中可以保持稳定。
效果图显示了三个部分，就像在一个灰色的桌子上:一个白色的样板房在上面;一个燃料电池夹在两个金属板之间，周围漂浮着球形分子;底部是电解槽，看起来和燃料电池很像，周围漂浮着一些分子。来源:苗树涵，哈佛大学设计研究生院
新工艺由麻省理工学院博士生张震、任志初和Alexander H. Quinn开发;哈佛大学博士生奚大伟;最近，麻省理工学院教授Ju Li在《细胞报告物理科学》的一篇开放获取论文中描述了这一点。整个过程——包括气体的捕获和电化学转化为固体甲酸盐粉末，然后用于燃料电池发电——在一个小的实验室规模上进行了演示。然而，研究人员希望它可以扩展，这样它就可以为个人家庭提供无排放的热量和电力，甚至可以用于工业或电网规模的应用。
李解释说，其他将二氧化碳转化为燃料的方法通常涉及两个阶段:首先，气体被化学捕获并转化为碳酸钙的固体形式，然后加热该材料以去除二氧化碳并将其转化为一氧化碳等燃料原料。李说，第二步的效率非常低，通常将不到20%的气态二氧化碳转化为所需的产品。
相比之下，新工艺实现了超过90%的转化率，并且通过首先将二氧化碳转化为中间形式——液态金属碳酸氢盐，消除了低效加热步骤的需要。然后，这种液体在使用低碳电力(如核能、风能或太阳能)的电解槽中被电化学转化为液态钾或甲酸钠。Li说，生产出来的高度浓缩的液态甲酸钾或甲酸钠溶液可以干燥，例如通过太阳能蒸发，从而生产出高度稳定的固体粉末，可以在普通的钢罐中储存长达几年甚至几十年。
一种具有碳酸氢盐阴极、中间缓冲层、阳离子交换膜和水阳极的电解槽结构。来源:苗树涵，哈佛大学设计研究生院
李在核科学与工程系和材料科学与工程系担任联合职务，他说，该团队开发的几个优化步骤将低效的化学转化过程转变为实用的解决方案。
碳捕获和转化的过程首先涉及以碱性溶液为基础的捕获，将二氧化碳从发电厂排放的浓缩流或非常低浓度的来源(甚至是露天)中浓缩成液态金属-碳酸氢盐溶液的形式。然后，通过使用阳离子交换膜电解槽，这种碳酸氢盐被电化学转化为固体甲酸盐晶体，碳效率超过96%，这在团队的实验室规模实验中得到了证实。
这些晶体具有无限的保质期，保持稳定，可以储存数年，甚至数十年，几乎没有损失。李说，相比之下，即使是最好的实用储氢罐，也会让气体以每天1%的速度泄漏，这就排除了需要一年储存的任何用途。甲醇是另一种被广泛探索的将二氧化碳转化为燃料电池中可用燃料的替代品，它是一种有毒物质，不容易在泄漏可能对健康造成危害的情况下使用。另一方面，根据国家安全标准，甲酸盐被广泛使用，被认为是无害的。
几项改进大大提高了这一过程的效率。首先，对膜材料及其结构的精心设计克服了之前在这种系统中遇到的一个问题，即某些化学副产物的积累会改变pH值，导致系统随着时间的推移逐渐失去效率。“传统上，很难实现长期、稳定、连续的原料转化，”张说。“我们系统的关键是实现稳态转换的pH平衡。”
为了实现这一目标，研究人员进行了热力学建模来设计新工艺，使其化学平衡，pH值保持在稳定状态，酸度不会随时间变化。因此，它可以在很长一段时间内继续高效运行。在他们的测试中，系统运行了200多个小时，输出没有明显下降。整个过程可以在环境温度和相对较低的压力下完成(大约是大气压力的五倍)。
另一个问题是，不必要的副反应会产生其他无用的化学产物，但该团队找到了一种防止这些副反应的方法，通过引入一个额外的“缓冲”层，即富含碳酸氢盐的玻璃纤维棉，来阻止这些反应。
该团队还建造了一个燃料电池，专门针对这种甲酸燃料的发电进行了优化。储存的甲酸颗粒简单地溶解在水中，并在需要时泵入燃料电池。李说，虽然固体燃料比纯氢重得多，但考虑到储存氢所需的高压气罐的重量和体积，最终的结果是在给定的储存体积下，输出的电力接近等值。
研究人员说，甲酸燃料可能适用于任何地方，从家庭规模的单位到大规模的工业用途或电网规模的存储系统。最初的家庭应用可能涉及一个冰箱大小的电解槽单元，用于捕获二氧化碳并将其转化为甲酸盐，甲酸盐可以储存在地下或屋顶的水箱中。然后，当需要时，粉末状固体将与水混合，并输入燃料电池以提供电力和热量。“这是社区或家庭示范，”张说，“但我们相信，在未来，它也可能适用于工厂或电网。”
“甲酸盐经济是一个有趣的概念，因为金属甲酸盐非常温和和稳定，是一种引人注目的能量载体，”西北大学化学和电子与计算机工程教授泰德·萨金特说，他没有参与这项工作。他说:“作者已经证明了从碳酸氢盐原料到甲酸盐的液体到液体转化的效率提高了，并且已经证明了这些燃料以后可以用来发电。”
参考文献:“高效碳碳酸氢盐电解槽”，作者:张震，奚大伟，任志初，李菊，2023年10月30日，《细胞报告:物理科学》。DOI: 10.1016 / j.xcrp.2023.101662
这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。分享推特reddit电子邮件分享
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