科学家们设计了一种将二氧化碳（CO2）从大气中转化为有价值的碳纳米纤维。该工艺使用串联电催化（蓝环）和热催化（橙环）反应来转化 CO2（蓝绿色和银分子）加水（紫色和蓝绿色）变成“固定”碳纳米纤维（银），产生氢气（紫色）作为有益的副产品。碳纳米纤维可用于增强水泥等建筑材料，并锁住碳数十年。
图片来源：布鲁克海文国家实验室/哥伦比亚大学
科技日报记者 张梦然
美国能源部布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学研究人员联合开发了一种耦合电化学和热化学反应的新策略，可将强效温室气体二氧化碳（CO2）转化为碳纳米纤维。这些材料具有广泛的独特性能和许多潜在的长期用途。研究人员在《自然·催化》杂志上描述，新方法可在相对较低的温度和环境压力下进行，成功地将碳锁定在固体形态的物质中，以抵消碳排放甚至实现负碳排放。
研究人员表示，将碳纳米纤维放入水泥中，可使碳在混凝土中锁定至少50年。该过程同时还会产生氢气。
新工作的特别之处在于，试图将CO2转化为具有附加值且坚实的固体碳材料。这种固体碳材料含有尺寸为十亿分之一米的碳纳米管和纳米纤维，具有许多吸引人的特性，包括强度、导热性和导电性。但是，从CO2中提取碳并使其组成精细的结构并不是一件简单的事情。
研究人员为此开发了串联两步法。该方法将反应分解为多个阶段，用两种不同类型的催化剂，使分子更容易聚集在一起并作出反应。
团队首先用一种由碳负载的钯制成的电催化剂，将CO2和水分解成一氧化碳和氢气。接着团队转向了一种由铁钴合金制成的热活化催化剂。它在400℃左右的温度下工作，比直接将CO2转化为碳纳米纤维所需的温度要温和得多。通过电催化和热催化的耦合，团队使用这种串联过程实现了单独使用任何一个过程都无法实现的目标。
研究人员称，这种催化剂回收的便利性、催化剂的商业可用性以及第二反应相对温和的反应条件，有助于降低与该过程相关的能源成本。如果这些过程由可再生能源驱动，其结果将是真正的负碳排放，可为缓解CO2的排放效应开辟新途径。