麻省理工学院的研究人员开发了一种新系统，有望将发电厂排放的二氧化碳转化为汽车、卡车和飞机所用的燃料，以及多种产品所需的化学原料。
这套新型膜系统由麻省理工学院博士后肖宇武（Xiao-Yu Wu）和罗纳德·C·克兰机械工程教授艾哈迈德·戈涅姆（Ahmed Ghoniem）开发，相关研究发表于期刊ChemSusChem。这层膜由镧、钙和氧化铁组成，可使二氧化碳气流中的氧穿过膜层到达另一侧，同时留下 一氧化碳。他们的实验室还在考虑将其他称为混合离子电子导体的化合物用于多种应用，包括制取氧气和氢气。
这一过程中产生的一氧化碳可以单独用作燃料，也可以与氢气和/或水结合，制成多种其他液态烃类燃料及化学品，包括甲醇（用作汽车燃料）、合成气等。戈涅姆的实验室正在研究其中一些方案。这一过程有望成为一系列称为碳捕集、利用与封存（CCUS）的技术之一；若将其用于发电，便可减少化石燃料使用对全球变暖的影响。
吴解释说，这种膜具有一种称为钙钛矿的结构，“对氧气的选择性达到100%”，只允许氧原子通过。分离过程需要高达990摄氏度的温度。要使这一过程奏效，关键是让从二氧化碳中分离出来的氧气持续穿过膜层，直至到达另一侧。可以在膜层远离二氧化碳气流的一侧制造真空来实现这一点，但维持真空需要消耗大量能量。
研究人员没有采用真空，而是使用氢气或甲烷等燃料气流。这些物质很容易被氧化，因此无需压差，就能将氧原子吸引穿过膜层。膜层还可防止氧气回流并与一氧化碳重新结合，再次形成二氧化碳。最终，根据具体应用，可以结合使用一定程度的真空和燃料，降低驱动这一过程所需的能量，并产出有用产品。
吴表示，维持这一过程所需的能量输入是热量，可由太阳能或废热提供，其中一部分可来自发电厂本身，另一部分则来自其他来源。实质上，这一过程可以将热量以化学形式储存起来，以备需要时使用。与许多其他储能形式相比，化学储能具有很高的能量密度——即一定重量材料所能储存的能量。
吴表示，目前他和戈涅姆已经证明这一过程可行。正在进行的研究旨在提高氧气穿过膜层的流速，可能采取的方式包括改变膜材料、调整表面几何形状，或在表面添加催化剂材料。研究人员还在设法将膜集成到实际运行的反应器中，并使反应器与燃料生产系统相结合。他们正在研究如何扩大这一方法的规模，以及从成本和对发电厂整体运行的影响两方面，比较它与其他捕集和转化二氧化碳排放的方法。
吴表示，在戈涅姆团队及其他研究人员此前研究过的一座天然气发电厂中，进入电厂的天然气可以分成两股：一股燃烧发电，同时产生纯二氧化碳气流；另一股则进入新型膜系统的燃料侧，提供与氧气反应的燃料。这股气流还会为电厂带来第二种产出：由氢气和一氧化碳组成的混合物，即合成气。合成气是广泛使用的工业燃料和原料，也可以加入现有的天然气分配网络。
因此，这种方法不仅可能减少温室气体排放，还可能带来另一项收入来源，帮助抵消成本。
吴表示，这一过程适用于任何二氧化碳浓度；他们测试过的浓度范围从2%到99%。不过，浓度越高，过程效率越高。因此，它很适合处理传统化石燃料发电厂排出的高浓度气流，或为碳捕集而设计的电厂（如富氧燃烧电厂）的排放气流。
中国科学院（位于中国大连）化学物理学教授朱雪峰（Xuefeng Zhu）并未参与这项研究。他表示：“利用二氧化碳制取一氧化碳，对于将可持续热能转化为化学能十分重要。使用透氧膜可以显著降低反应温度，从1500摄氏度降至低于1000摄氏度；与传统的二氧化碳分解过程相比，这意味着可大幅节能。”“我认为，他们的工作对可持续能源和膜过程领域具有重要意义。”
