將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r值的原料

科學(xué)家們正在嘗試在不消耗太多能源的情況下，將人類排放的二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r值的原料。

全世界每年要向大氣排放數(shù)百億噸的二氧化碳，這些二氧化碳主要來自發(fā)電廠煤炭和天然氣的燃燒、化肥和水泥的制造及其它工業(yè)過程。美國康奈爾大學(xué)化學(xué)工程師林登·阿切爾說，如果化學(xué)家能夠捕獲這些二氧化碳并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌a(chǎn)品的化學(xué)原料，那么“二氧化碳將不再是一種令人麻煩的物質(zhì)，而是一種禮物了”。

多年來，科學(xué)家們一直試圖儲存從發(fā)電廠和其它排放源排放的二氧化碳，然后將它們注入到地下深處。然而，如果沒有大量補貼，這種昂貴的儲存方式在經(jīng)濟(jì)上難以持續(xù)。向老舊油井中注入二氧化碳以開采出更多的石油也是一種應(yīng)用方法，但這還不夠，考慮到油價經(jīng)常波動，難以預(yù)測是否能帶來利潤。提倡利用而不是儲存二氧化碳的科學(xué)家希望從廢物中創(chuàng)造有價值的東西來獲得利潤，最有可能的應(yīng)用是將二氧化碳用作制造化學(xué)產(chǎn)品的原材料，而這也可以通過使用更環(huán)保的產(chǎn)品來取代石油化工產(chǎn)品而對環(huán)境有利。

但這些倡導(dǎo)者面臨著一個棘手的化學(xué)難題，即二氧化碳是一種穩(wěn)定的分子，其化學(xué)鍵中儲存的能量并不多。如果要利用二氧化碳，必須通過加熱使其增加能量，而加熱又需消耗電力，大部分電力來自燃煤或天然氣發(fā)電廠，而這些發(fā)電廠又會向大氣中排放更多的二氧化碳，甚至比捕獲到的還更多。

工程師、化學(xué)家和其他研究人員表示，新技術(shù)正在改變這種局面。美國Xprize 基金會、能源與環(huán)境組資深科學(xué)家保羅·邦杰倡議，為提出解決方案者頒發(fā)一個大獎以激勵多樣化的技術(shù)團(tuán)隊。該基金會不久前宣布，有40多個團(tuán)隊正在競爭一項2 000 萬美元的大獎，這個名為Carbon XPrize 的大獎賽結(jié)果將在2020 年年底前宣布。獲獎?wù)咝鑼⒆疃嗟亩趸嫁D(zhuǎn)化為凈價值最高的產(chǎn)品。一些團(tuán)隊的目標(biāo)是制造聚合物、或替代汽油的燃料、或工業(yè)化學(xué)品。

從長遠(yuǎn)看，所有能利用二氧化碳生產(chǎn)一種或另一種化學(xué)品的公司都可能構(gòu)成一個碳利用行業(yè)，從而產(chǎn)生重大影響。保羅·邦杰說，像氣候變化這樣大規(guī)模的問題需要多種解決方案。

“現(xiàn)在的問題是，化學(xué)領(lǐng)域的研究人員如何創(chuàng)造新的反應(yīng)及新的機(jī)制來利用二氧化碳作為原料”，美國康奈爾大學(xué)林登·阿切爾說，他也是Carbon XPrize 大獎賽咨詢委員會成員，在美國《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，他提供了一個方案：一種能發(fā)電、同時可將二氧化碳轉(zhuǎn)化為一種商用化學(xué)品的燃料電池。

阿切爾和他的學(xué)生建造了一個原型反應(yīng)器，該反應(yīng)器能將二氧化碳、鋁和氧氣結(jié)合起來生產(chǎn)草酸鹽。草酸鹽可用于制造酸、除銹劑、織物染料及其它工業(yè)化學(xué)品。

阿切爾很清楚將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r值的原料存在的問題。他設(shè)計的燃料電池依靠鋁和空氣工作：在電池內(nèi)部，氧氣與一個鋁制成的電極發(fā)生反應(yīng)，形成高活性的鋁氧化物，鋁氧化物再和較為惰性的二氧化碳反應(yīng)，這兩個反應(yīng)生成了草酸鋁。阿切爾說，燃料電池從這些化學(xué)反應(yīng)中捕獲一些能量，雖然需要一定的電壓來驅(qū)動，但這個過程產(chǎn)生的電能比消耗的要多。因為金屬會被消耗掉，所以選擇合適的金屬非常關(guān)鍵。阿切爾選擇了鋁，這是因為鋁資源豐富且價格便宜。盡管生產(chǎn)鋁的過程會排放二氧化碳，但阿切爾希望他設(shè)計的這個系統(tǒng)可收集足夠多的二氧化碳來生成草酸鹽，以減少排放的二氧化碳。

康奈爾大學(xué)研究小組表示，他們并不完全了解這種燃料電池其中的化學(xué)反應(yīng)，如早期的燃料電池使用了一種叫做離子液體的昂貴材料作為電解質(zhì)。阿切爾指出，如果離子液體起到了關(guān)鍵作用，且不能被取代的話，那么這項技術(shù)可能就不可行。

目前，美國有許多公司正在開展對二氧化碳的有效利用。如設(shè)在得克薩斯州圣安東尼奧的Skyonic 公司的試驗工廠收集水泥廠排放的廢氣，并將其轉(zhuǎn)化為石灰石和酸；Solidia Technologies 公司將二氧化碳壓縮進(jìn)混凝土中；其它一些處于不同階段的公司也在致力于利用二氧化碳生產(chǎn)塑料、替代燃料和化學(xué)原料等。

但美國麻省理工學(xué)院能源計劃高級研究工程師、儲存二氧化碳的支持者霍華德·赫爾佐格對此有不同的看法。他指出，許多承諾利用二氧化碳的項目看起來好得令人難以置信，他說：“二氧化碳是能源的消耗，如果不在產(chǎn)品的生命周期中投入更多的能源，想利用二氧化碳生產(chǎn)化學(xué)品或能源產(chǎn)品都是極其困難的。熱力學(xué)告訴我們，難以在能源方面獲勝”。

盡管赫爾佐格承認(rèn)其中一些公司也許能盈利，但他對利用二氧化碳可能對環(huán)境產(chǎn)生重大影響的潛力表示懷疑。作為2005 年聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）二氧化碳搜集和儲存的特別報告的主要作者，赫爾佐格認(rèn)為報告中關(guān)于利用二氧化碳的結(jié)論仍然是成立的，即減少全球排放量的可能性很小，即使利用二氧化碳來生產(chǎn)所有的產(chǎn)品，也無法吸收所有二氧化碳的排放量。

肯德拉·庫爾女士是美國加利福尼亞州伯克利市Opus12 創(chuàng)業(yè)公司的聯(lián)合創(chuàng)始人，她清楚地知道，二氧化碳的利用并不能完全解決全世界的排放問題。Opus12 公司正在開發(fā)一種電化學(xué)反應(yīng)器，它使用新型催化劑和可再生電力將二氧化碳轉(zhuǎn)化為聚合物原料和其它化學(xué)物質(zhì)。庫爾女士說，Opus12 公司將參與Carbon XPrize 大獎賽的競爭。她說，盡管目前對二氧化碳的利用難以消耗大量的二氧化碳排放量，但考慮到繼續(xù)開采化石燃料以滿足石油化工行業(yè)帶來的環(huán)境后果，嘗試?yán)枚趸既匀皇侵档玫摹?/p>