一種由廉價、豐富的金屬和普通食糖制成的新催化劑能夠破壞二氧化碳(CO 2)氣體。

在西北大學的一項新研究中，催化劑成功地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為 一氧化碳 (CO)，這是生產(chǎn)各種有用化學品的重要組成部分。例如，當反應(yīng)在氫氣存在下發(fā)生時，二氧化碳和 氫氣會轉(zhuǎn)化為合成氣，這是一種非常有價值的前體，可用于生產(chǎn)可能替代汽油的燃料。

隨著碳捕獲技術(shù)的最新進展，燃燒后碳捕獲正成為幫助應(yīng)對全球氣候變化危機的可行選擇。但如何處理捕獲的碳仍是一個懸而未決的問題。新催化劑可能提供一種解決方案，通過將其轉(zhuǎn)化為更有價值的產(chǎn)品來處理這種強大的溫室氣體。

該項研究將于5月3日發(fā)表在《科學》雜志上。

“即使我們現(xiàn)在停止排放二氧化碳， 由于過去幾個世紀的工業(yè)活動， 我們的大氣中仍會存在過剩的二氧化碳， ”西北大學的米拉德·霍舒伊 (Milad Khoshooei ) 說道，他是這項研究的共同負責人。“這個問題沒有單一的解決方案。我們需要減少二氧化碳排放 ， 并 找到降低大氣中二氧化碳濃度的新方法。 我們應(yīng)該利用所有可能的解決方案。”

“我們并不是第一個將二氧化碳轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)品的研究團隊， ”西北大學的 Omar K. Farha說道，他是這項研究的資深作者。“然而，要使這一過程真正實用，它需要一種滿足幾個關(guān)鍵標準的催化劑：經(jīng)濟實惠、穩(wěn)定、易于生產(chǎn)和可擴展。平衡這四個要素是關(guān)鍵。幸運的是，我們的材料在滿足這些要求方面表現(xiàn)出色。”

Farha 是碳捕獲技術(shù)專家，現(xiàn)任西北大學 溫伯格藝術(shù)與科學學院 Charles E. 和 Emma H. Morrison 化學教授。Khoshooei 在加拿大卡爾加里大學攻讀博士學位后開始從事這項工作，目前是 Farha 實驗室的博士后研究員。

食品儲藏室的解決方案

新催化劑的秘密在于碳化鉬，一種極其堅硬的陶瓷材料。與許多其他需要昂貴金屬(如鉑或鈀)的催化劑不同，鉬是一種廉價、非貴金屬，且儲量豐富。

為了將鉬轉(zhuǎn)化為碳化鉬，科學家們需要碳源。他們在一個意想不到的地方發(fā)現(xiàn)了一個便宜的選擇：食品儲藏室。令人驚訝的是，糖——幾乎每個家庭都有的白色顆粒狀糖——是一種廉價、方便的碳原子來源。

“我每天都會嘗試合成這些材料，我會把糖從家里帶到實驗室，”Khoshooei 說道。“與通常用作催化劑的其他材料相比，我們的材料非常便宜。”

成功篩選并穩(wěn)定

在測試催化劑時，F(xiàn)arha、Khoshooei 及其同事對其成功感到印象深刻。在常壓和高溫(300-600 攝氏度)下運行，催化劑以 100% 的選擇性將 CO 2轉(zhuǎn)化 為 CO。

高選擇性意味著催化劑只作用于二氧化碳，而 不會破壞周圍的物質(zhì)。換句話說，工業(yè)界可以將催化劑應(yīng)用于大量捕獲的氣體，并選擇性地只針對二氧化碳。催化劑也隨著時間的推移保持穩(wěn)定，這意味著它保持活性并且不會降解。

“在化學領(lǐng)域，催化劑在幾個小時后失去選擇性是很常見的，”Farha 說道。“但在惡劣條件下運行 500 小時后，其選擇性并沒有改變。”

這是特別值得注意的，因為二氧化碳是 一種穩(wěn)定而又頑固的分子。

“轉(zhuǎn)化二氧化碳并不 容易，”Khoshooei 說道。“二氧化碳是 一種化學性質(zhì)穩(wěn)定的分子，我們必須克服這種穩(wěn)定性，而這需要耗費大量能源。”

碳清理的串聯(lián)方法

開發(fā)碳捕獲材料是 Farha 實驗室的主要工作重點。他的團隊開發(fā)了金屬有機骨架 (MOF)，這是一種高度多孔的納米級材料，F(xiàn)arha 將其比作“精密且可編程的沐浴海綿”。Farha 探索了 MOF 的多種應(yīng)用，包括直接從空氣中吸收二氧化碳。

現(xiàn)在，F(xiàn)arha 表示，MOF 和新催化劑可以共同發(fā)揮作用，實現(xiàn)碳捕獲和封存。

Farha 建議：“在某個時候，我們可以采用 MOF 來捕獲二氧化碳，然后用催化劑將其轉(zhuǎn)化為更有益的物質(zhì)。串聯(lián)系統(tǒng)利用兩種不同的材料進行兩個連續(xù)步驟可能是未來的發(fā)展方向。”

“這可以幫助我們回答這個問題：‘我們該如何處理捕獲的二氧化碳? ’”Khoshooei 補充道。“目前的計劃是將其封存于地下。但地下儲層必須滿足許多要求才能安全永久地封存二氧化碳。我們希望設(shè)計一種更通用的解決方案，可以在任何地方使用，同時增加經(jīng)濟價值。”