麻省理工学院和哈佛大学工程师成功将二氧化碳转化为甲酸盐燃料

麻省理工学院和哈佛大学工程师成功将二氧化碳转化为甲酸盐燃料现在，麻省理工学院和哈佛大学的研究人员已经开发出一种高效的工艺，可以将二氧化碳转化为甲酸盐，甲酸盐是一种液态或固态物质，可以像氢气或甲醇一样用于燃料电池和发电。甲酸钾或甲酸钠已经形成工业规模，通常用作道路和人行道的除冰剂，它无毒、不易燃、易于储存和运输，并能在普通钢罐中保持稳定，在生产几个月甚至几年后仍可使用。效果图显示了灰色桌子上的三个部分：顶部是白色的房屋模型；燃料电池夹在两块金属板之间，周围漂浮着球形分子；底部是电解槽，看起来与燃料电池相似，周围也漂浮着分子。图片来源：哈佛大学设计研究生院ShuhanMiao麻省理工学院博士生张震、任志初和亚历山大-奎恩（AlexanderH.Quinn）、哈佛大学博士生奚大为和麻省理工学院教授李菊最近在《细胞报告物理科学》（CellReportsPhysicalScience）杂志上发表的一篇开放存取论文中描述了这一新工艺。整个过程包括捕获气体并将其电化学转化为固体甲酸盐粉末，然后将其用于燃料电池发电。不过，研究人员希望它可以扩展，以便为个人家庭提供无排放的热能和电力，甚至用于工业或电网规模的应用。提高效率和实用性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，通过化学方法捕获气体并将其转化为碳酸钙等固体形式，然后加热该材料以驱除二氧化碳并将其转化为一氧化碳等燃料原料。第二步的效率非常低，通常只能将不到20%的气态二氧化碳转化为所需产品。相比之下，新工艺的转化率远远超过90%，而且不需要低效的加热步骤，首先将二氧化碳转化为一种中间形式，即液态金属碳酸氢盐。然后，在使用低碳电力（如核能、风能或太阳能）的电解槽中，通过电化学方法将这种液体转化为液态甲酸钾或甲酸钠。然后，生产出的高浓度液态甲酸钾或甲酸钠溶液可以通过太阳能蒸发等方法进行干燥，生产出高度稳定的固体粉末，可以在普通钢罐中储存长达数年甚至数十年。带有碳酸氢盐阴极、中间缓冲层、阳离子交换膜和水阳极的电沸腾器配置。资料来源：哈佛大学设计研究生院ShuhanMiao核科学与工程系和材料科学与工程系联合任职的李说，团队开发的几个优化步骤在将低效化学转换过程转变为实用解决方案方面发挥了重要作用。转化过程和应用碳捕集与转化过程首先是基于碱性溶液的捕集，将发电厂排放等高浓度气流或极低浓度来源（甚至是露天）的二氧化碳浓缩成液态金属碳酸氢盐溶液。然后，通过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，其碳效率超过96%，这一点已在研究小组的实验室规模实验中得到证实。这些晶体具有无限期的保质期，非常稳定，可以储存数年甚至数十年而几乎没有损耗。相比之下，即使是现有最好的实用氢气储存罐，每天也会有约1%的气体泄漏，这就排除了任何需要长年储存的用途。甲醇是另一种被广泛探讨的将二氧化碳转化为燃料电池所需的燃料的替代品，但甲醇是一种有毒物质，在泄漏可能对健康造成危害的情况下，甲醇很难被改造成燃料电池所需的燃料。而甲酸盐则被广泛使用，根据国家安全标准，甲酸盐被认为是无害的。技术改进该工艺的效率之所以能大幅提高，主要得益于几项改进。首先，膜材料及其配置的精心设计克服了以前尝试这种系统时遇到的一个问题，即某些化学副产品的堆积会改变pH值，导致系统的效率随着时间的推移而逐渐降低。"传统上，很难实现长期、稳定、持续的原料转化，"张说。"我们系统的关键在于实现稳态转化的pH值平衡。"为此，研究人员进行了热力学建模，以设计新工艺，使其达到化学平衡，pH值保持稳定，酸度不会随时间变化。因此，它可以长期高效地运行。在他们的测试中，该系统运行了200多个小时，产量没有明显下降。整个过程可在环境温度和相对较低的压力（约为大气压的五倍）下完成。另一个问题是，不必要的副反应会产生其他无用的化学产品，但研究小组想出了一个办法，通过引入一个额外的富含碳酸氢盐的玻璃纤维棉"缓冲"层来阻止这些副反应。研究小组还建造了一个燃料电池，专门针对使用这种甲酸盐燃料发电进行了优化。储存的甲酸盐颗粒只需溶解在水中，然后根据需要泵入燃料电池。虽然固体燃料比纯氢重得多，但考虑到储存氢气所需的高压气罐的重量和体积，最终的结果是，在给定储存体积的情况下，电力输出接近平价。潜在应用研究人员说，甲酸盐燃料可以应用于从家用设备到大型工业用途或电网规模的存储系统等任何领域。最初的家庭应用可能需要一个与冰箱大小相当的电解装置，用来捕捉二氧化碳并将其转化为甲酸盐，然后储存在地下或屋顶的储罐中。然后，在需要时，将粉末状固体与水混合，送入燃料电池，提供电力和热量。张说："这适用于社区或家庭示范，但我们相信，将来它也可能适用于工厂或电网。"西北大学化学系教授、电气与计算机工程系教授泰德-萨金特（TedSargent）说："甲酸盐经济是一个引人入胜的概念，因为金属甲酸盐非常良性和稳定，是一种引人注目的能量载体。作者们证明了从碳酸氢盐原料到甲酸盐的液-液转换效率得到了提高，并证明了这些燃料以后可以用来发电。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1395963.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1395963.htm

新型光催化系统可将二氧化碳转化为有价值的燃料

新型光催化系统可将二氧化碳转化为有价值的燃料光合作用是植物和某些生物的叶绿体利用阳光、水和二氧化碳产生食物或能量的机制。过去几十年来，许多研究人员都在努力创造合成光合作用过程，目的是将二氧化碳转化为碳中性燃料。联合研究的负责人之一、城大化学系副教授叶如泉教授解释说："然而，二氧化碳很难在水中转化，因为许多光敏剂或催化剂会在水中降解。虽然人工光催化循环已被证明能以更高的内在效率运行，但其在水中还原二氧化碳的低选择性和低稳定性阻碍了它们的实际应用。"分层自组装光催化系统（左）模仿了一种名为"Rhodobactersphaeroides"的紫色细菌（右）的自然光合作用装置，在将二氧化碳转化为甲烷时实现了15%的太阳能转化为燃料的效率。资料来源：（左）叶如泉教授研究小组/香港城市大学；（右）《生物物理学报》，99:67-75，2010年在最新的研究中，来自城大、香港大学、江苏大学和中国科学院上海有机化学研究所的联合研究小组克服了这些困难，利用超分子组装方法创建了一个人工光合作用系统。它模仿了紫色细菌的光收集色素细胞（即含有色素的细胞）的结构，这种细胞能非常有效地从太阳光中传递能量。这种新型人工光合作用系统的核心是一种高度稳定的人工纳米胶束--一种能在水中自组装的聚合物，具有亲水端和惧水端。这种纳米胶束的亲水性头部可作为光敏剂吸收阳光，而疏水性尾部则可作为自组装的诱导剂。将纳米簇放入水中，由于水分子与簇尾之间的分子间氢键作用，纳米簇就会自组装。加入钴催化剂后，光催化制氢和还原二氧化碳，从而产生氢气和甲烷。香港城市大学化学系副教授叶如泉教授（前排中）及其研究团队。图片来源：香港城市大学研究小组利用先进的成像技术和超快光谱技术，揭示了创新光敏剂的原子特征。他们发现，纳米小分子亲水性头部的特殊结构，以及水分子与纳米小分子尾部之间的氢键作用，使其成为一种稳定的、与水相容的人工光敏剂，解决了人工光合作用传统的不稳定性和与水不相容的问题。光敏剂与钴催化剂之间的静电作用以及纳米簇的强光采集天线效应改善了光催化过程。在实验中，研究小组发现甲烷的生产率超过13000μmolh-1g-1，24小时的量子产率为5.6%。它还实现了15%的高效太阳能转化为燃料的效率，超过了自然光合作用。最重要的是，这种新型人工光催化系统不依赖昂贵的贵金属，具有经济可行性和可持续性。叶教授说："该系统的分层自组装提供了一种很有前景的自下而上的策略，即基于廉价、地球上丰富的元素，如锌和钴卟啉复合物，来创建一种精确控制的高性能人工光催化系统。"氢键增强纳米胶束的形成及其在太阳能下制氢和还原二氧化碳的过程。资料来源：叶如泉教授研究小组/香港城市大学叶如泉教授说，他相信这项最新发现将有利于并启发未来利用太阳能转化和还原二氧化碳的光催化系统的合理设计，为实现碳中和的目标作出贡献。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375391.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375391.htm

我国科学家用废旧电池将二氧化碳转化为燃料

我国科学家用废旧电池将二氧化碳转化为燃料2月1日，记者从华中科技大学获悉，该校化学与化工学院夏宝玉教授团队利用回收的废旧电池，将二氧化碳转化为具有高经济价值的甲酸。“这项技术的经济价值十分可观。”夏宝玉说，团队设计的二氧化碳电解反应器能在高效稳定运行的基础上实现面积与产量40倍放大。按照当前市场成本估计，每电解产生1吨甲酸，就将获得244美元盈利，并有望实现工业化应用。相关研究成果日前发表于《自然》杂志。（科技日报）

新型反应堆系统将二氧化碳转化为可用燃料

新型反应堆系统将二氧化碳转化为可用燃料锅炉的效率通常很高。因此，仅靠提高燃烧效率很难减少二氧化碳排放。因此，研究人员正在探索其他方法，以减轻锅炉排放的二氧化碳对环境的影响。为此，一个很有前景的策略是捕获这些系统排放的二氧化碳，并将其转化为有用的产品，如甲烷。要实施这一战略，需要一种特殊类型的膜反应器，即分配器型膜反应器（DMR），它既能促进化学反应，又能分离气体。虽然DMR已在某些行业中使用，但其在将二氧化碳转化为甲烷方面的应用，尤其是在锅炉等小型系统中的应用，仍相对较少。由日本芝浦工业大学的野村干弘教授和波兰AGH科技大学的GrzegorzBrus教授领导的一组日本和波兰研究人员填补了这一研究空白。他们的研究成果最近发表在《二氧化碳利用期刊》上。来自日本和波兰的研究人员开发出一种反应堆设计，可有效捕捉二氧化碳排放并将其转化为可用的甲烷燃料。这一突破可大幅减少温室气体排放，为实现碳中和的未来铺平道路。资料来源：日本SIT的野村干弘教授研究小组双管齐下，通过数值模拟和实验研究来优化反应器设计，以便将小型锅炉中的二氧化碳高效转化为甲烷。在模拟过程中，研究小组模拟了气体在不同条件下的流动和反应。这反过来又使他们能够最大限度地减少温度变化，确保在甲烷生产保持可靠的同时优化能源消耗。研究小组还发现，与将气体导入单一位置的传统方法不同，分布式进料设计可以将气体分散到反应器中，而不是从一个地方送入。这反过来又能使二氧化碳更好地分布在整个膜中，防止任何位置过热。野村教授解释说："与传统的填料床反应器相比，这种DMR设计帮助我们将温度增量降低了约300度。"除了分布式进料设计，研究人员还探索了影响反应器效率的其他因素，并发现一个关键变量是混合物中的二氧化碳浓度。改变混合物中的二氧化碳含量会影响反应的效果。"当二氧化碳浓度为15%左右（与锅炉中的二氧化碳浓度相似）时，反应器生产甲烷的效果要好得多。事实上，与只有纯二氧化碳的普通反应器相比，它能多产生约1.5倍的甲烷，"野村教授强调说。此外，研究小组还研究了反应器尺寸的影响，发现增大反应器尺寸有助于为反应提供氢气。不过，需要考虑一个折衷的问题，因为提高氢气可用性的好处需要谨慎的温度管理，以避免过热。因此，这项研究为解决温室气体排放的主要来源问题提供了一个前景广阔的解决方案。通过利用DMR，可以成功地将低浓度二氧化碳排放转化为可用的甲烷燃料。由此获得的益处不仅限于甲烷化，还可应用于其他反应，从而使这种方法成为高效利用二氧化碳的多功能工具，甚至适用于家庭和小型工厂。这项研究得到了波兰国家机构、克拉科夫AGH大学和日本科学促进会的资助。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432823.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432823.htm

哺育未来：人工光合作用将二氧化碳转化为食物

哺育未来：人工光合作用将二氧化碳转化为食物由施特劳宾大学生物技术和可持续发展校区（TUMCS）的VolkerSieber教授领导的小组已经成功地从对环境有害的气体二氧化碳中生产出氨基酸L-丙氨酸，这是蛋白质的一个重要组成部分。他们的间接生物技术过程涉及甲醇作为中间物。到目前为止，用于动物饲料的蛋白质通常在南半球生产，需要大规模的农业空间并对生物多样性产生负面影响。人工光合作用用于环境友好型食品生产，从左起：博士生VivianWillers和VolkerSieber教授。从大气中排出的二氧化碳，首先利用绿色电力和氢气转变成甲醇。新方法在一个多阶段的过程中使用合成酶将这一中间物转化为L-丙氨酸；该方法非常有效并产生非常高的产量。L-丙氨酸是蛋白质最重要的组成部分之一，对人类和动物的营养至关重要。TUM生物资源化学教授Sieber教授解释说："与种植植物相比，当所使用的能源来自太阳能或风能时，这种方法需要的空间要小得多，以创造同样数量的L-丙氨酸。对空间的更有效利用意味着一种人工光合作用可以在明显较少的土地上生产相同数量的食品。这为农业中较小的生态足迹铺平了道路。"制造L-丙氨酸只是科学家们的第一步。共同作者VivianWillers说："我们还想利用可再生能源从二氧化碳中生产其他氨基酸，并进一步提高实现过程中的效率，"他作为TUM校区的博士生开发了这一过程。研究人员补充说，该项目是一个很好的例子，说明生物经济和氢气经济的结合可以使实现更多的可持续性成为可能。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357679.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357679.htm

全新的太阳能反应器可将二氧化碳和塑料废料转化为有用的产品

全新的太阳能反应器可将二氧化碳和塑料废料转化为有用的产品大气层中的二氧化碳处于几千年来的最高水平，导致了破坏性的气候后果。同时，我们对塑料的依赖正在导致河流、海洋和从一极到另一极的所有地方都有这种东西的大量堆积。在这两个领域的研究已经促使科学家们设计出反应器，将捕获的二氧化碳或塑料废物转化为油、燃料和其他有用的化学品和材料。但是现在，剑桥大学的科学家们已经设计出第一个可以同时处理两种污染物的反应器。该装置由两个独立的隔间组成--一个用于处理塑料，一个用于处理二氧化碳--以及每个隔间中的一个单元，该单元吸收光的能量并利用它来触发一个催化剂，将原料转化为更有用的东西。光吸收器是过氧化物，它正在成为一种有前途的太阳能电池材料，而催化剂可以根据所需的最终产品来改变。该研究的共同第一作者MotiarRahaman博士说："一般来说，二氧化碳的转化需要大量的能量，但在我们的系统中，基本上你只需向它照射一束光，它就会开始将有害的产品转化为有用和可持续的东西。在这个系统之前，我们没有任何东西可以有选择地和有效地制造高价值的产品"。在测试中，研究小组证明了该反应器可以在正常温度和压力条件下有效地工作，只使用阳光作为能源。一种铜钯合金催化剂能够将PET塑料瓶转化为乙醇酸，这是一种用于化妆品行业的化学品。使用一种钴化合物将二氧化碳转化为一氧化碳，使用一种铜铟合金将合成气转化为一氧化碳，使用一种特定的酶将甲酸盐转化为一氧化碳。更妙的是，该反应器的工作非常高效。该团队说，其生产效率比使用其他太阳能催化剂的设备高100倍。接下来的步骤是在未来五年内进一步开发该反应器，以生产更复杂的分子。这项研究的共同第一作者SubhajitBhattacharjee说："这个系统的特别之处在于它的多功能性和可调控性--我们现在正在制造相当简单的碳基分子，但在将来，我们可以通过改变催化剂来调控这个系统以制造更复杂的产品。"这项研究发表在《自然合成》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338505.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338505.htm