工程师开发出一种利用二氧化碳制造燃料的高效工艺
全世界都在寻找从空气或发电厂废气中提取二氧化碳，然后将其转化为有用物质的方法。更有前途的想法之一是将其制成一种稳定的燃料，可以在某些应用中替代化石燃料。但大多数此类转化过程都存在低碳效率问题，或者产生难以处理、有或易燃的燃料。
现在，麻省理工学院和哈佛大学的研究人员开发了一种有效的工艺，可以将二氧化碳转化为甲酸盐，甲酸盐是一种液体或固体材料，可以像氢气或甲醇一样用于为燃料电池提供动力并发电。甲酸钾或甲酸钠已实现工业规模生产，通常用作道路和人行道的除冰剂，无、不易燃、易于储存和运输，并且可以在普通钢罐中保持稳定，使用数月甚至数年。 ，生产后。
这一新工艺由麻省理工学院博士生张震、任志初和亚历山大·H·奎恩、哈佛大学博士生席大伟和麻省理工学院李巨教授开发，本周在《细胞出版社物理科学》杂志上进行了 描述。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，然后用于燃料电池发电——在小型实验室规模上进行了演示。然而，研究人员预计它具有可扩展性，以便能够为个人家庭提供无排放的热量和电力，甚至可用于工业或电网规模的应用。
李解释说，将二氧化碳转化为燃料的其他方法通常涉及两个阶段的过程：首先，气体被化学捕获并转化为碳酸钙的固体形式，然后该材料被加热以驱除二氧化碳并转化为燃料。将其转化为燃料原料，例如一氧化碳。Li 说，第二步的效率非常低，通常只有不到 20% 的气态二氧化碳转化为所需的产品。
相比之下，新工艺首先将二氧化碳转化为中间形式液态金属碳酸氢盐，从而实现了 90% 以上的转化率，并且消除了低效加热步骤的需要。然后，该液体在使用低碳电力(例如核能、风能或太阳能)的电解槽中以电化学方式转化为液态甲酸钠或钾。李说，所产生的高浓度液态甲酸钾或甲酸钠溶液可以进行干燥，例如通过太阳能蒸发，以产生高度稳定的固体粉末，并且可以在普通钢罐中储存长达数年甚至数十年。
在核科学与工程系和材料科学与工程系联合任职的李说，该团队开发的几个优化步骤在将低效的化学转化过程转变为实用的解决方案方面发挥了重要作用。
碳捕获和转化过程首先涉及基于碱性溶液的捕获，将二氧化碳(来自发电厂排放等浓缩流或来自极低浓度来源(甚至露天)的二氧化碳浓缩成液态金属碳酸氢盐的形式解决方案。然后，通过使用阳离子交换膜电解槽，这种碳酸氢盐通过电化学方式转化为固体甲酸盐晶体，碳效率大于 96%，这一点在该团队的实验室规模实验中得到了证实。
这些晶体具有无限的保质期，并且保持稳定，可以保存数年甚至数十年，几乎没有损失。相比之下，即使是最好的实用储氢罐，气体每天也会以大约 1% 的速度泄漏，从而排除了需要长达一年的存储的任何用途，李说。甲醇是另一种广泛探索的替代品，用于将二氧化碳转化为可用于燃料电池的燃料，它是一种有物质，不容易适应在泄漏可能造成健康危害的情况下使用。另一方面，根据国家安全标准，甲酸盐被广泛使用并且被认为是良性的。
多项改进使得该过程的效率大大提高。首先，膜材料及其配置的仔细设计克服了以前尝试此类系统时遇到的问题，即某些化学副产物的积累会改变pH值，导致系统随着时间的推移逐渐失去效率。“传统上，很难实现原料的长期、稳定、连续转化，”张说。“我们系统的关键是实现稳态转化的 pH 平衡。”
为了实现这一目标，研究人员进行了热力学建模来设计新工艺，使其达到化学平衡，并且 pH 值保持在稳定状态，酸度不会随着时间的推移而发生变化。因此，它可以长期持续高效运行。在他们的测试中，系统运行了 200 多个小时，输出没有明显下降。整个过程可以在环境温度和相对较低的压力(大约是大气压的五倍)下完成。
另一个问题是，不需要的副反应会产生其他无用的化学产品，但研究小组找到了一种方法来防止这些副反应，通过引入额外的富含碳酸氢盐的玻璃纤维棉“缓冲”层来阻止这些反应。
该团队还构建了一种专门针对使用这种甲酸盐燃料发电而优化的燃料电池。储存的甲酸盐颗粒只需溶解在水中，并根据需要泵入燃料电池。李说，虽然固体燃料比纯氢重得多，但当考虑到储存氢气所需的高压气罐的重量和体积时，最终结果是在给定的储存体积下，电力输出接近同等水平。
研究人员表示，甲酸盐燃料可能适用于从家庭规模的单位到大规模工业用途或电网规模存储系统的任何用途。最初的家庭应用可能涉及一个冰箱大小的电解装置，用于捕获二氧化碳并将其转化为甲酸盐，然后将其储存在地下或屋顶罐中。然后，当需要时，粉末状固体将与水混合并送入燃料电池以提供电力和热量。“这是为了社区或家庭示范，”张说，“但我们相信，在未来它也可能对工厂或电网有利。”
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