二氧化碳新思維

呂　靜

或許在未來，二氧化碳這種毀壞地球環(huán)境的氣體也能幫助我們戒掉對石油的依賴

二氧化碳(CO2)早已被戴上了邪惡分子的頭銜。它們源源不斷地從汽車排氣管和發(fā)電站煙囪噴出，是全球變暖的最大原因。因此，人們普遍將它當作一種壞東西。

可是，一組先驅(qū)研究人員卻愿意讓人們看到CO2作為一種有價值資源的另一面。他們研究出一種收集技術(shù)，可以回收那些可能污染大氣的CO2，利用其中的碳原子合成碳氫化合物(烴)，這些烴可用作汽車燃料，以及制造塑料的原料或其他化工原料——目前這些原料都是從原油中提取的。

這個想法其實很簡單。找到一種去掉CO2分子中一個氧原子的辦法，即可得到一氧化碳(CO)分子，不過，這僅僅是變成烴財富的一小步，下一步還要將CO與氫氣混合，再將這種混合氣體通過一種催化劑催化，才能變成液體的烴燃料。這種化學反應(yīng)，叫做費-托法過程，是在上世紀20年代發(fā)明的。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，當原油供應(yīng)短缺的時候，德國人就曾經(jīng)用汽化煤制造過汽油。在種族隔離的年代，當南非被制裁封鎖原油進口時，也曾這樣制造過液體燃料。

捕捉太陽能

要變有害的CO2為有用的CO，第一步的難處在于：找到一種價格上和能源上同時有效率的辦法。最簡單的途徑就是在2400℃左右加熱CO2，在這個溫度，CO2會自動地裂解為CO和氧氣。不過，困難的就是尋找到能夠做到這一點的能源。

很顯然, 太陽光是最合適做這種能源的候選者。在美國新墨西哥州的帕瓦奇，有一家叫做勞斯阿拉莫斯可再生能源(LARE)的公司，該公司已經(jīng)建成了一個以CO2提供能源的小型原型反應(yīng)器。在這個反應(yīng)器中，CO2被投放到一個密閉在反應(yīng)室中，反應(yīng)室被固定在聚集太陽光的一個鏡面碟片的焦點上，聚集的太陽光通過反應(yīng)室的小窗到達安裝在反應(yīng)室內(nèi)部一個用來收集熱量的陶瓷棒上。隨著進入氣體接觸到溫度升高為2400℃左右的陶瓷棒，二氧化碳分解為一氧化碳和氧氣。里德?詹森是LARE的主管，他透露，他們的一個更大的原型反應(yīng)器即將在一年的時間內(nèi)投入實驗，但是他沒有說明這個反應(yīng)器到底有多大，能產(chǎn)生多少的一氧化碳。

美國新墨西哥州阿布奎基的圣地亞國家實驗室的內(nèi)森?西格說：這種方法的缺點是操作溫度太高。圣地亞國家實驗室有一個競爭的研究小組也在從事這個方向的研究。高溫會導致很嚴重的熱損失，因此會減低效率。雖然太陽能是免費的，但建造這些產(chǎn)生和耐受高溫的設(shè)備是很昂貴的。所以，要想讓整個生產(chǎn)過程更經(jīng)濟，就需要效率更高的操作。

正因為牢記住這一點，圣地亞小組正在開發(fā)一個與LARE抗衡的系統(tǒng)，叫做反向旋轉(zhuǎn)環(huán)狀接受反應(yīng)蓄熱器(CR5)，這個系統(tǒng)的操作溫度沒有那么高。與LARE反應(yīng)器一樣，這個系統(tǒng)也有聚集太陽光的聚能器碟，不過，高溫是在一組14個鈷鐵氧陶瓷環(huán)的一端產(chǎn)生的。這種陶瓷在加熱時，會從其分子晶格中釋放出氧，但不會破壞晶格的完整性。陽光通過一個窗子聚焦在反應(yīng)室較熱的一側(cè)，將環(huán)加熱到1500℃，導致陶瓷的晶格釋放出氧原子。隨著環(huán)的旋轉(zhuǎn)，熱的部分漸漸轉(zhuǎn)到反應(yīng)室的后面，這里溫度降到1100℃左右，在這個溫度下，當室內(nèi)充滿CO2時，失去氧的陶瓷就會和CO2分子發(fā)生反應(yīng)，為的是將其分子晶格中丟失的氧原子再奪回來，這樣一來，CO分子就產(chǎn)生了。隨著環(huán)的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，再氧化的部分又回到了反應(yīng)室較熱的一端，于是，循環(huán)再次開始。

CR5最初是為了制氫而研究出的一種方法，不過，制氫利用的是冷卻室里的蒸汽而不是CO2，但是，這種方法的發(fā)明者里奇?戴弗估計，裂解CO2將需要一個更有效率的捕捉太陽能方式。想要燃燒利用在太陽能反應(yīng)器中形成的一氧化碳，至少需要給出10%的能量來生產(chǎn)它。所以，在今年4月，戴弗和他的同事要用一個原型反應(yīng)器來試驗他們的預測。他們已經(jīng)計算出，這個裝置每小時能產(chǎn)生100噸的CO。

改良燃料電池

意大利墨西拿大學化工和材料工程系的加布里耶勒?山悌將這種用太陽能來轉(zhuǎn)化二氧化碳為碳基燃料的想法進一步發(fā)展了。不過，他不是制備CO，而是做出了更有用的東西——一種能夠產(chǎn)生像壬烷和乙烯等(目前多是從石油中提取的、制造塑料的重要化學原材料)烴分子的電化學電池。

山悌的電池可算是那種靠氫或甲醇和氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電力的燃料電池的遠親，不過，其化學反應(yīng)是可逆的。在電池的一端有一種二氧化鈦作為催化劑，會促使接受光子的水分子裂解，產(chǎn)生氫離子和氧氣。當氫離子通過質(zhì)子交換膜遷徙到裝有包含鉑納米管催化劑的電池另一端時，催化劑促使二氧化碳發(fā)生產(chǎn)生烴的化學反應(yīng)。

目前，這些烴燃料電池所產(chǎn)生的能量尚不超過它們所接收到太陽能的1%。山悌說，這可能不算太高，但比植物通過光合作用獲得的能量轉(zhuǎn)化率高，而且人們還有改進催化劑的空間。

埃倫?斯泰切爾是圣地亞燃料能源轉(zhuǎn)化部門的經(jīng)理，她估計，要讓足夠量的CR5工廠給一億輛家用汽車提供合成汽油，則需要大約有5800平方公里的土地。她說：“這個數(shù)字實際上并不是很大。”最近在美國西南部7個州所做的調(diào)查顯示，大約有135000平方公里的適用地都可以加以利用。斯泰切爾說：“這些土地別無他用。”

相反地，生物燃料卻要和糧食作物競爭土地資源。此外，斯泰切爾還稱，生物燃料中實際可獲得的太陽能比例更是少得驚人，如果你算上灌溉、收獲、運輸和加工等耗能過程，其太陽能的利用率只有0.1%。

為了充分利用可利用的土地，詹森建議將LARE的碳捕捉器與發(fā)電站聯(lián)合起來，這樣就能用上反應(yīng)器本身的熱損耗。他估計這種聯(lián)合的裝置能將48%的太陽能轉(zhuǎn)化為可利用的能量。

隨著原油和天然氣越來越昂貴和短缺，石油化學公司對尋找可替換石油的新原材料的興趣越來越大。假如在價格上有競爭優(yōu)勢，有一天，由工業(yè)廢氣二氧化碳制造的烴，也有可能用作生產(chǎn)塑料或其他產(chǎn)品。那么，這些碳將不再直接排放到大氣中，而是將在材料中固定若干年。到那個時候，二氧化碳分子的惡名也就被撥亂反正了。