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Stuart Licht最终循环机 将二氧化碳点石成金

日期: 2017-11-07     阅读次数:15

国际新能源网  来源:中国科学报  日期:2015-09-24

导读: Stuart Licht设计了最终循环机。他和同事在美国华盛顿大学实验室建造的这个太阳能反应堆,可以借用太阳光把空气中的二氧化碳——化石能源氧化后的副产物——再一次转化成燃料。

&nbsP;Stuart Licht设计了最终循环机。他和同事在美国华盛顿大学实验室建造的这个太阳能反应堆,可以借用太阳光把空气中的二氧化碳——化石能源氧化后的副产物——再一次转化成燃料。这中间有几个步骤:这一反应过程中需要用到水,水可以分解成氢气和一氧化碳;然后分解物可以与液态烃燃料相混合。可以说,Licht的装置是全世界到目前为止最有效的转化装置。

事实上,Licht的方法只是全球各个实验室利用太阳能技术进行二氧化碳转化的一个案例。这些技术代表了一个梦想:有一天,能够绕开化石能源,从太阳光、空气和水中生成交通运输所需的燃料,从而在此过程中,摆脱掉人类因为依赖化石能源而向空气中排放的二氧化碳。

现在,这些技术尚未对石油行业形成威胁。在Licht的设计中,部分反应堆的温度高达1000℃,这一高温需要特殊材料盛放相关构件。其他的研究人员也在探索各种备选方案,研发可以利用太阳光或是其他由可再生能源驱动的、进行相同化学反应的催化剂,或是可以在室温条件下进行化学反应的催化剂。

其中的障碍之一是经济性。当前,油价依然不高,因此很难有动力采用其他高端的、成本昂贵的选择方案。但是势不可挡的气候变化及其相关效应已经吸引了全世界的研究人员探索太阳能燃料。“这是一个非常热门的领域。”加州大学伯克利分校化学家Omar Yaghi说。正如Licht的反应堆所证实的那样,相关研究在不断向前推进。“我们还没有到达那里,但是我们在向着正确的方向前进。”普林斯顿大学化学家、正在研究低温催化剂的Andrew Bocarsly说。

富有热情的研究人员甚至已经看到了一线曙光,让这种技术变得更加经济实用:比如风电和太阳能等可再生能源的稳定发展。现在,风轮叶片太阳能电池在一些地区已经可以提供超过使用量的电能。如果这些过剩的能量可以被储存为化学燃料,专家称,或许设备供应商就能够在任何时候、任何地方节省能源,由此带来额外收益。

技术与经济挑战

尽管存在气候变化的担忧,但是液态燃料的需求不可能谢幕。石油和其他液态烃的高能量密度和易于运输的特性,使其成为全球交通运输基础设施的主要依靠。研究人员在不断探索低碳气体的使用,如把甲烷和氢气作为运输燃料,使电动汽车大幅增加。但是对于长距离运输货车和其他重型交通工具以及航空业来说,现在却没有比液体燃料更好的选择了。支持太阳能的人称,应该找到一种利用可获取的化合物(如水和二氧化碳)酿造液体燃料,从而大幅降低二氧化碳排量的方法。

这一目标可以归结为逆向的氧化反应,即从太阳或其他可再生能源中获取能量,然后使其变为化合物。“这是个极具挑战性的问题,也是一场艰苦的战役。”宾夕法尼亚州匹兹堡大学化学家John Keith说。可以说,这就像植物需要制造出生长所需的糖分那样,但是植物仅把1%左右的能量转化成化学能。为了驱动工业发展,研究人员要做的比这难得多。Keith把这种挑战比喻成人类登月工程。

其问题在于,二氧化碳是一种非常稳定的、很难产生化学反应的分子。化学家可以通过电或热等方式迫使其产生反应。其中,第一步通常是剥落二氧化碳分子的一个氧原子,形成一氧化碳。然后,一氧化碳可以和氢气混合,形成含有一氧化碳和氢的混合气体,该气体可以被转化成甲醇—— 一种可以直接使用或转化成有价值的化学物质和燃料的液体酒精。大型化学工厂可以进行这一过程,但是它们并非是从空气中制作混合气体,而是利用大量廉价的天然气合成该气体。因此,化学家的挑战是,从比当前能源价格更低廉的可再生能源中合成混合气体。

从实验室到应用

Licht把他的用太阳能生成一氧化碳和氢气混合物的装置叫作“太阳能燃气”,并表示自己的目标是利用来自太阳的热和电挑战这一障碍。在发表于《尖端科学》期刊的文章中,他详细介绍了所设计的装置。该装置利用一种叫作浓缩光伏太阳能发电技术的尖端太阳能电池,而电池可把大量太阳能集中到一个半导体板面上,然后把这些输入能量的38%转化成高伏特电能。这些电能随后被分流至两块电化电池的电极:其中一组能量用来分解水分子,另一组用来分解二氧化碳。同时,电池中收集的其他剩余太阳能被用作热能来源,用来将两块电池预热至上千摄氏度,这一步骤可以减少分解水和二氧化碳分子所需的电能,大致可减少25%。Licht说,最终大约有50%的太阳能可以被转化成化学物质。

目前,尚不清楚通过这一过程合成混合气体的成本是否像用天然气混合气体一样低。但是Licht强调,2010年对他的太阳能水分子分裂设施的单独成本分析结果是,如果花费2.61美元成本,可以分解出1公斤的氢气——这一能量相当于4升汽油。

考虑到其中的成本问题,Bocarsly和其他科学家试图继续在更低温度的条件下分解二氧化碳。其中有一种方法已经实现了商业化应用。在冰岛,一家叫作国际碳回收的公司在2012年开设了一家工厂,利用可再生能源合成混合气体。该公司利用冰岛丰富的地热能发电,然后用来驱动分解二氧化碳和水的电解机器。生成的合成气体随后被转化成甲醇。

一切皆有可能

当然,全球很多地区并不像冰岛那样拥有丰富的地热能来驱动这一过程,为此,研究人员正在寻找能够利用更少能量分解二氧化碳的新催化剂。这些催化剂通常位于负电极(即电化电池的两个电极中含水的一边)。在相反的电极,水分子被分解成电子、质子和氧气,氧气在变成泡沫后融合到空气中。电子和质子会被传送到负电子,在那里二氧化碳分子被分解成一氧化碳和氧原子,而氧原子和电子及质子合并后形成更多的水。

目前,这种催化剂的最佳标准是“金”。上世纪80年代,日本科学家发现,用金制成的电极在低温装置中把二氧化碳分解成一氧化碳的效率最高。在2012年,斯坦福大学化学家Matthew Kanan和同事发现了一种更好的材料:把薄金层转化成纳米大小的晶体,然后用其制作电极。这篇发表于《美国化学学会期刊》的研究成果显示,这种材料可以让所需电量减少50%以上,并且让催化剂的活性增强10倍。

然而,每公斤金的价格为3.6万美元,大规模使用这种金属过于昂贵。去年,特拉华大学化学家冯娇(音译)在发表于《自然—通讯》的研究成果中称,利用银纳米颗粒制成的催化剂效果同样明显。今年,他们在发表于美国化学学会《催化作用》期刊的研究成果中,介绍了一种价格更加低廉、高效的分解一氧化碳催化剂:即利用小锌钉制成的树枝状晶体。

当前全球范围内的研究人员仍在探索其他的“富矿”:利用太阳能直接驱动二氧化碳和水低温电解的方式。很多研究工作聚焦于吸光的半导体,例如利用钛基二氧化碳纳米管分解出一氧化碳、甲烷和其他碳氢化合物。到目前为止,类似的装置效率仍不够高;很多时候,它们仅能把不足1%的输入太阳能转化成化合物。Bocarsly和一些人曾利用太阳紫外线作出更好的结果。但是今年8月,在波士顿举行的美国化学学会会议上,特拉华大学化学家Joel Rosenthal报告称,他和同事已经研究出一种铋基光催化剂,可以使收集的6.1%的太阳能转化成化合物。

尽管这些前沿技术在不断推进,但是Kanan警示称,太阳能燃料和液态化石燃料并驾齐驱仍有相当长的路要走,尤其是现在每桶油价格已下降至50美元以下。这阻碍了全球政府形成合力,对二氧化碳排量设置上限或是收取碳排放税,因此如果单从价格上考虑,太阳能可能永远不能击败化石能源。“这是一项难以完成的任务。”Kanan说。

尽管如此,Kanan表示,有一天,如果可再生能源的应用足够广泛,制造可再生燃料的技术也有所提高,那时人们或许才能没有罪恶感地大量消耗能源,因为人们知道自己只是在燃烧太阳能。



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