能源的未来

这种新工艺能将二氧化碳转化为液体燃料

麻省理工学院的研究人员研发出一种新工艺,可将二氧化碳转化为一种名为甲酸盐的材料,该材料能用于发电。 Image: Pexels/Marcin Jozwiak

David L. Chandler
Writer, MIT News
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  • 麻省理工学院的中国研究员研发出一种新工艺,可将二氧化碳转化为一种名为甲酸盐的材料,这种材料可以像氢气或甲醇一样用来发电。
  • 转化过程是利用一种催化剂将二氧化碳与水转化为可以长期储存的甲酸盐,便宜且高效。
  • 麻省理工学院核科学与工程系和材料科学与工程系联合聘用的李巨教授表示,团队研发的几个优化步骤使得低效化学转化过程变成了实用的解决方案,具有重要意义。

全世界都在寻找从空气或发电厂废气中提取二氧化碳并将其转化为有用物质的方法。其中一个比较有前景的想法是将其转化为一种稳定的燃料,在某些应用中取代化石燃料。但此类转换过程大都存在碳效率低下的问题,或者产生难以处理、有毒或易燃的燃料。

现在,麻省理工学院和哈佛大学的研究人员研发出了一种高效的工艺,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驱动燃料电池并发电。甲酸钾或甲酸钠已经实现了工业化生产,通常被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,并能在一般的钢储罐中保持稳定,生产数月甚至数年后仍可使用。

这一新工艺由麻省理工学院教授李巨、麻省理工学院博士生张振、任之初和Alexander H. Quinn,以及哈佛大学博士生席大为共同研发,成果以一篇开放存取论文的形式于本周发表于《细胞报告物理科学》(Cell Reports Physical Science)杂志。整个工艺流程已得到了小规模实验室实验的验证,包括捕获气体并将其电化学转化为固体甲酸盐粉末,用于燃料电池发电。不过,研究人员希望可以扩大规模,为住宅提供零排放的热能和电力,甚至应用于工业领域或大规模输电网。

李教授解释称,将二氧化碳转化为燃料的其他方法通常有两步:首先化学捕获气体,将其转化为碳酸钙等固体形式,然后加热该材料,去除其中的二氧化碳,并将其转化为一氧化碳等燃料原料。李教授称,第二步的效率非常低,通常只有不到20%的气态二氧化碳能转化为所需产品。

相比之下,新工艺的转化率远超90%,而且不需要低效的加热步骤,它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,用电化学转化的方式将这种液体转化为液态甲酸钾或甲酸钠。李教授称,这样产生的高浓度液态甲酸钾或甲酸钠溶液可通过太阳能蒸发等方法进行干燥,生成一种高度稳定的固体粉末,能在在一般钢储罐中储存长达数年甚至数十年。

麻省理工学院核科学与工程系和材料科学与工程系联合聘用的李巨教授表示,团队研发的几个优化步骤使得低效化学转化过程变成了实用的解决方案,具有重要意义。

碳捕获与转化过程的第一步是以碱性溶液为基础的碳捕获,无论是发电厂的高浓度排放还是其他浓度极低的排放源,甚至室外的二氧化碳,都能被转化成液态金属碳酸氢盐溶液。然后,用阳离子交换膜电解槽将碳酸氢盐电化学转化为固体甲酸盐晶体,其转化率超过96%,这一点已在研究团队的实验室规模实验中得到证实。

这些晶体可以永久保存、性质稳定,可以储存数年甚至数十年,而且几乎不会有损耗。李教授表示,相比之下,即使是现有最好、最实用的氢气储罐,每天也会以约1%的速度泄漏,不适合用于长期存储。甲醇是另一种被广泛研究的将二氧化碳转化为燃料电池所需的燃料替代品,但甲醇是一种有毒物质,其泄露可能会危害健康,因此不能轻易用于燃料转化。而根据国家安全标准,甲酸盐是无害的,因此得到广泛使用。

该工艺之所以能显著提高效率,主要得益于几项改进措施。首先,精心设计的膜材及其结构克服了此类系统先前遇到的一个问题,即某些化学副产品的积累会改变pH值,导致系统效率逐渐降低。“传统上,很难实现长期、稳定、持续的原料转化。”张振说,“我们系统的关键在于保持pH值平衡,实现稳定转化。”

为此,研究人员进行了热力学建模,设计新的转化过程,实现化学平衡,保持pH值稳定,不会随时间变化。因此,这个系统就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,且产量没有明显下降。整个转化过程可以在环境温度和相对较低的压力(约为大气压的五倍)下完成。

另一个问题在于,不必要的副反应会产生其他无用的化学产品,但研究团队想出了一个办法,用一层额外的富含碳酸氢盐的玻璃纤维棉作为“缓冲”层,阻止这些副反应。

研究团队还建造了一个燃料电池,专门为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,就能按需泵入燃料电池。李教授称,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容量,最终结果是实现在给定储存容量的情况下,二者输出的电量接近相等。

研究人员称,甲酸盐燃料有可能适用于从家用设备到大型工业用途或电网规模的存储系统。最初使用这种系统的家庭可能需要一个与冰箱大小相当的电解装置,用来捕获二氧化碳并将其转化为甲酸盐,并将其储存在地下或屋顶的储罐中。之后在需要时,可将粉末状固体与水混合,注入燃料电池,以此提供电力和热量。张振说:“这只是在社区或家庭环境中的演示。但我们相信,将来它也可能应用于工厂或电网。”

西北大学化学系、电子与计算机工程系教授Ted Sargent说:“甲酸盐经济是一个有趣的概念,因为金属甲酸盐性质温和且稳定,是一种吸引人的能量载体。”他说:“这群研究者已经证明,从碳酸氢盐原料到甲酸盐的液体到液体转化效率提高了,也证明了这些燃料随后可用于发电。”

本文作者:

David L. Chandler,MIT News撰稿人

本文原载于世界经济论坛Agenda博客,转载请注明来源并附上本文链接。

翻译:孙芊

编辑:王灿

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