MIT和Harvard工程师成功将二氧化碳转化为甲酸盐燃料

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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制成稳定的燃料，在某些应用中可以替代化石燃料。但大多数此类转化过程都存在碳效率低的问题，或者它们生产的燃料难以处理、有毒或易燃。

现在，麻省理工学院和哈佛大学的研究人员已经开发出一种高效的工艺，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用于燃料电池和发电。甲酸钾或甲酸钠已经形成工业规模，通常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，并能在普通钢罐中保持稳定，在生产几个月甚至几年后仍可使用。

麻省理工学院博士生张震、任志初和亚历山大-奎恩（Alexander H. Quinn）、哈佛大学博士生奚大为和麻省理工学院教授李菊最近在《细胞报告物理科学》（Cell Reports Physical Science）杂志上发表的一篇开放存取论文中描述了这一新工艺。整个过程包括捕获气体并将其电化学转化为固体甲酸盐粉末，然后将其用于燃料电池发电。不过，研究人员希望它可以扩展，以便为个人家庭提供无排放的热能和电力，甚至用于工业或电网规模的应用。

提高效率和实用性

其他将二氧化碳转化为燃料的方法通常涉及两个阶段： 首先，通过化学方法捕获气体并将其转化为碳酸钙等固体形式，然后加热该材料以驱除二氧化碳并将其转化为一氧化碳等燃料原料。第二步的效率非常低，通常只能将不到 20% 的气态二氧化碳转化为所需产品。

相比之下，新工艺的转化率远远超过 90%，而且不需要低效的加热步骤，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，通过电化学方法将这种液体转化为液态甲酸钾或甲酸钠。然后，生产出的高浓度液态甲酸钾或甲酸钠溶液可以通过太阳能蒸发等方法进行干燥，生产出高度稳定的固体粉末，可以在普通钢罐中储存长达数年甚至数十年。
核科学与工程系和材料科学与工程系联合任职的李说，团队开发的几个优化步骤在将低效化学转换过程转变为实用解决方案方面发挥了重要作用。

转化过程和应用

碳捕集与转化过程首先是基于碱性溶液的捕集，将发电厂排放等高浓度气流或极低浓度来源（甚至是露天）的二氧化碳浓缩成液态金属碳酸氢盐溶液。然后，通过阳离子交换膜电解槽，这种碳酸氢盐被电化学转化为固体甲酸盐晶体，其碳效率超过 96%，这一点已在研究小组的实验室规模实验中得到证实。

这些晶体具有无限期的保质期，非常稳定，可以储存数年甚至数十年而几乎没有损耗。相比之下，即使是现有最好的实用氢气储存罐，每天也会有约1%的气体泄漏，这就排除了任何需要长年储存的用途。甲醇是另一种被广泛探讨的将二氧化碳转化为燃料电池所需的燃料的替代品，但甲醇是一种有毒物质，在泄漏可能对健康造成危害的情况下，甲醇很难被改造成燃料电池所需的燃料。而甲酸盐则被广泛使用，根据国家安全标准，甲酸盐被认为是无害的。

技术改进

该工艺的效率之所以能大幅提高，主要得益于几项改进。首先，膜材料及其配置的精心设计克服了以前尝试这种系统时遇到的一个问题，即某些化学副产品的堆积会改变 pH 值，导致系统的效率随着时间的推移而逐渐降低。"传统上，很难实现长期、稳定、持续的原料转化，"张说。"我们系统的关键在于实现稳态转化的 pH 值平衡。"

为此，研究人员进行了热力学建模，以设计新工艺，使其达到化学平衡，pH 值保持稳定，酸度不会随时间变化。因此，它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，产量没有明显下降。整个过程可在环境温度和相对较低的压力（约为大气压的五倍）下完成。

另一个问题是，不必要的副反应会产生其他无用的化学产品，但研究小组想出了一个办法，通过引入一个额外的富含碳酸氢盐的玻璃纤维棉"缓冲"层来阻止这些副反应。

研究小组还建造了一个燃料电池，专门针对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，然后根据需要泵入燃料电池。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体积，最终的结果是，在给定储存体积的情况下，电力输出接近平价。

潜在应用

研究人员说，甲酸盐燃料可以应用于从家用设备到大型工业用途或电网规模的存储系统等任何领域。最初的家庭应用可能需要一个与冰箱大小相当的电解装置，用来捕捉二氧化碳并将其转化为甲酸盐，然后储存在地下或屋顶的储罐中。然后，在需要时，将粉末状固体与水混合，送入燃料电池，提供电力和热量。张说："这适用于社区或家庭示范，但我们相信，将来它也可能适用于工厂或电网。"

西北大学化学系教授、电气与计算机工程系教授泰德-萨金特（Ted Sargent）说："甲酸盐经济是一个引人入胜的概念，因为金属甲酸盐非常良性和稳定，是一种引人注目的能量载体。作者们证明了从碳酸氢盐原料到甲酸盐的液-液转换效率得到了提高，并证明了这些燃料以后可以用来发电。"