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加美研究人员提出二氧化碳利用的技术途径

编号:NO.I00019071804        发布时间:2018-04-17 16:47:13

2018年3月29日,Joule期刊发表题为《我们应该用二氧化碳做什么,怎么利用它?》(What Should We Make with CO2 and How Can We Make It?)的文章,讨论了当前将二氧化碳(CO2)电催化转化为各种化学燃料的技术和经济性,提出了利用CO2的设想,指出光催化、CO2聚合、生物混合和分子机器技术的逐渐兴起,可以增强已经实用的电催化CO2转化方法。

将CO2转化为燃料作为一种储存介质将解决可再生能源的间歇性问题。来自加拿大多伦多大学(University of Toronto)和美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)的研究人员,分析确定了可通过转化捕获的CO2来制造一系列可能具有经济意义的小分子。在能源储存需求方面,氢气、甲烷和乙烷可以用于生物燃料。此外,乙烯和乙醇可以作为一些消费品的组成部分,而CO2衍生的甲酸可以用于制药工业或作为燃料电池的燃料。

尽管目前能够捕获CO2的技术还处于起步阶段,但研究人员预计未来几十年将会带来重大改进,使CO2捕获和转化成为现实。CO2电化学转化为燃料和原料——CO2还原反应(CO2RR),是结束碳循环的一种良好解决方案,也是最接近商业化的技术。虽然CO2RR对高碳产品的挑战依然存在,但该领域的最新进展为实现CO2转化提供了尚未开发的潜力。研究人员设想了至少6种潜在的CO2催化转化技术,这些技术是目前研究的热点。其中的一些技术已接近商业化,另一些则处于测试阶段,还有一些有待科学证明。基于CO2转化仍然是全球热点话题的乐观假设,研究提出了一个5~70年的大规模实现这些技术的时间线(表1)。

(1)基于CO2的电化学转化技术最接近商业化,Opus-12公司、三井化学公司(Mitsui Chemicals)、碳回收国际公司(Carbon Recycling International)、二氧化碳材料公司(Dioxide Materials)和碳电催化回收公司(Carbon Electrocatalytic Recycling Toronto)等公司正引领着这项技术的商业化。随着可再生能源价格的持续下降(在一些地区达到2美分/千瓦时),电力成本是最大的开支,因此,CO2的电化学转化变得更具吸引力。

(2)在气相CO2反应器中使用半导体催化剂直接将太阳能转换为燃料是另一项已取得重大进展的具有吸引力的技术。这些整合的光化学系统模仿自然光合作用,并具有独立于电力来源的灵活性,完全依靠太阳辐射来生产燃料。

(3)生物混合系统将无机水分解催化剂与酶或转化CO2的转基因细菌相结合。这些系统有潜力利用天然酶的途径将CO2转化为各种产品。这种生物电化学方法刚刚开始被探索,但如果能够解决长期稳定性等关键问题,则具有很大的前景。

(4)用于转化碳氢化合物的纳米多孔材料的热催化已为人熟知,并已在工业上得到了应用。然而,纳米多孔材料作为固体吸附剂或作为热催化的载体主要用于捕获CO2气体,它们很少被用作电化学转化CO2的催化剂。可调的多孔材料,如金属有机骨架(MOFs),最近被证明可以促进CO2的电化学转化,尽管主要是C1化合物。

(5)目前,尚未实现CO2转化的两种具有前景的技术包括聚合化学(如使用活化的CO2链式插入催化剂)和用于动态CO2催化的分子机器。直接使用CO2作为单体单元的能力将会对消费品的生产产生革命性影响,并允许将气态CO2封存到固体产品中分子机器是由多孔材料(如MOFs)中刚性杆上的旋转环单元组成,在原子水平上机械地控制分子运动的能力有可能开启与酶没有什么不同的人造分子工厂。

二氧化碳利用方法的建议时间表

表1  二氧化碳利用方法的建议时间表



原文来源::https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435117300764
原文题目:What Should We Make with CO2 and How Can We Make It?
编译者:廖 琴

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