華人科學(xué)家將CO?直接轉(zhuǎn)化為固體碳！采用鎵基液態(tài)金屬實現(xiàn)室溫下分解CO?，已簽訂大額商業(yè)訂單

「我的博士生拿著碳樣本，戴著手套跑進辦公室，高興地對我說『Ken，我想我們成功了！』對于任何研究人員來說，這都是一個值得慶幸的時刻，因為你可以告訴其他人所做的是正確的。特別是，我們已經(jīng)破解了一個幾十年來一直沒有解決的長期挑戰(zhàn)。」澳大利亞墨爾本皇家理工大學(xué)高級講師蔣建光表示，近日他和團隊采用鎵基液態(tài)金屬將 CO? 直接轉(zhuǎn)化為固體碳，可幫助推進重工業(yè)的脫碳。

1 月 17 日，相關(guān)論文以（Direct conversion of CO? to solid carbon by Ga-based liquid metals）為題，發(fā)表在 Energy & Environmental Science 上 [1]。

「CO? 氣泡就像香檳酒杯中的氣泡一樣升起」

蔣建光表示，利用人造 CO? 合成商業(yè)化工產(chǎn)品，可能是個一石二鳥的好辦法。既能促進化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，同時還能減少向大氣排放 CO? 。每年將 CO? 轉(zhuǎn)化為化學(xué)品的工業(yè)轉(zhuǎn)化率約為 CO? 總排放量的 1%。

如果能用化學(xué)方法將 CO? 中的碳固定回化學(xué)原料或燃料池，人類有望將原本的排放污染轉(zhuǎn)化為具有更高經(jīng)濟價值的產(chǎn)品。因為 CO? 本身化學(xué)性質(zhì)就不活潑，因此設(shè)計能以 CO? 為反應(yīng)原料的固化材料仍然具有挑戰(zhàn)性。

考慮到高活性、替代易結(jié)焦的傳統(tǒng)固體材料，以及要克服 CO? 分解過程中高能量需求這幾點需求，蔣建光和團隊開發(fā)出一種利用液態(tài)金屬將 CO? 直接分解為固體碳的新方法，其中使用的液態(tài)金屬具有高活性、堅固性和極強的抗結(jié)焦能力等特點。

研究中，他們采用了一個簡單的鼓泡塔反應(yīng)器。鼓泡塔反應(yīng)器由石英制成，能夠承受高工作溫度下的活性試驗，還可提供高可見度，以及對液態(tài)金屬提供耐化學(xué)性。加熱則由配備 k 型熱電偶的外部分體式爐提供，并連接到溫度控制器。

另據(jù)悉，蔣建光等人通過使用電子質(zhì)量流量控制器和止回閥，來調(diào)節(jié)進入鼓泡塔反應(yīng)器的氣態(tài) CO? 流量，以防止反應(yīng)物回流。當(dāng) CO? 被注入液態(tài)金屬時，CO? 氣泡就像香檳酒杯中的氣泡一樣升起。當(dāng)氣泡在液態(tài)金屬中移動時，氣體分子分裂成片狀固體碳，反應(yīng)只需一秒鐘。

如此快的化學(xué)反應(yīng)速度，使得這項技術(shù)具備極大商業(yè)化潛力，生產(chǎn)效率也遠超其他替代方法。反應(yīng)后，讓反應(yīng)器及其內(nèi)容物自然冷卻，并從 LM 熔體頂部收集碳產(chǎn)物以進行進一步測試。

蔣建光和團隊已證明，當(dāng)溫度低于 400°C 時，在不使用輔助還原劑比如氫氣或其他能源的情況下，他們首次實現(xiàn)了連續(xù) CO? 轉(zhuǎn)化和出色的碳產(chǎn)品選擇性。液態(tài)金屬的卓越性能表明，即使在室溫下也能分解 CO? ，這為利用熱轉(zhuǎn)化方法奠定了基礎(chǔ)，并提供了將 CO? 固定回化學(xué)池組分的途徑。因此，這項技術(shù)有望幫助企業(yè)將 CO? 廢氣轉(zhuǎn)化為具有商業(yè)價值的綠色產(chǎn)品。

從事多相催化已有 20 多年

蔣建光表示，CO? 利用研究是其團隊的長期研究主題之一，他從事多相催化已有 20 多年。多年來，他一直和跨國能源公司合作開發(fā)低排放工藝技術(shù)，包括制氫和  CO? 轉(zhuǎn)化為化學(xué)品/燃料。

不過他也坦言，盡管自己和團隊在使用 CO? 作為原料生產(chǎn)各種高價值產(chǎn)品方面取得了成功。然而，這些系統(tǒng)的一個基本特征是，盡管可把 CO? 化學(xué)轉(zhuǎn)化為化學(xué)品和合成燃料比如甲醇和二甲醚，但在燃料和/或化學(xué)品池中回收 CO? 并不一定能助力減少廢氣的排放。

這是因為 CO? 基產(chǎn)品的碳保留時間因產(chǎn)品而異，燃料大約需要不到幾年，化學(xué)中間體則需幾十年不等。最終，這些碳仍將「泄漏」到我們的環(huán)境中，相當(dāng)于治標(biāo)不治本，沒有解決根本問題。此外，隨著其他能源技術(shù)的快速適應(yīng)，運輸部門被視為吸收 CO? 燃料的最大市場，但是 CO? 衍生產(chǎn)品的未來前景很難評估。因此，允許利用 CO? 生產(chǎn)高價值產(chǎn)品的替代戰(zhàn)略是非?？扇〉?。

蔣建光認(rèn)為，將 CO? 轉(zhuǎn)化為高純度碳的新工藝是非?？扇〉?。生產(chǎn)后，碳可以運離現(xiàn)場進行處理，用于制造其他產(chǎn)品，和/或出售給其他行業(yè)。然而，實現(xiàn)該反應(yīng)潛力的核心挑戰(zhàn)也與形成的碳有關(guān)。當(dāng)碳形成時，它基本上會結(jié)焦并導(dǎo)致催化劑失活。

這時他意識到，需要跳出思維定勢，發(fā)展一種非傳統(tǒng)的方式來解決這個問題。早在 2018 年，蔣建光就開始和其同事托本·德內(nèi)克（Torben Daeneke）博士談?wù)撨@一課題，后者也是此次技術(shù)的共同發(fā)明者。德內(nèi)克是一名材料化學(xué)家，多年來一直致力于液態(tài)金屬合金的研究。他一直嘗試?yán)孟嚓P(guān)材料來為電子應(yīng)用發(fā)展超薄半導(dǎo)體。

液態(tài)金屬合金具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，這些材料有助于解決結(jié)焦問題。蔣建光補充稱：「我們所取得的成果確實是化學(xué)工程師和材料化學(xué)家之間的『激烈反應(yīng)』?！?/strong>

他認(rèn)為，該技術(shù)可作為一種替代技術(shù)，捕獲 CO? 并將其轉(zhuǎn)化為固體碳。同樣，該技術(shù)顯然具備擴大規(guī)模的潛力，并在未來可以幫助水泥和鋼鐵生產(chǎn)等重工業(yè)工廠實現(xiàn)碳中和。據(jù)美國環(huán)保署稱 2019 年的總排放量為 65.58 億噸 CO? 當(dāng)量。

在全球范圍內(nèi)，混凝土和水泥的生產(chǎn)占全球 CO? 排放總量的 8%。對于水泥和鋼鐵等重工業(yè)來說，脫碳是一個巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，它們不僅是能源密集型行業(yè)，而且在生產(chǎn)過程中還直接排放 CO? 。

這項新技術(shù)提供了一條途徑，可以在 CO? 產(chǎn)生時立即將其轉(zhuǎn)化，并將其永久鎖定在固態(tài)，從而將 CO? 排除在大氣之外。

蔣建光還表示：「我必須說，這項技術(shù)不是萬能的。但我始終相信，我們需要一套類似的技術(shù)來共同應(yīng)對這一重大挑戰(zhàn)。每個行業(yè)合作伙伴的問題往往都不相同，因此我們需要了解他們的特殊挑戰(zhàn)，并確定可能的途徑。」

他希望該技術(shù)能成為推動碳中和的重要新工具，幫助行業(yè)和政府履行氣候承諾，并使人類接近凈零排放。目前，他們正在計劃模塊化設(shè)計，從而對更大規(guī)模的操作進行改造。

另據(jù)悉，該技術(shù)已提交臨時專利申請，該團隊最近與澳大利亞環(huán)境技術(shù)公司 ABR 簽署了一項價值 260 萬澳元的協(xié)議，后者正在將技術(shù)商業(yè)化，從而讓水泥業(yè)和鋼鐵制造業(yè)脫碳。研究的下一階段是與 ABR 合作，將概念驗證擴展到集裝箱大小的模塊化原型。

對于技術(shù)轉(zhuǎn)化，蔣建光主要關(guān)注制造業(yè)、而非發(fā)電廠。他說，已經(jīng)有許多可再生能源可以替代化石燃料發(fā)電，也在經(jīng)濟規(guī)模上得到了證明，所以避免排放通常比補救要好。

據(jù)悉，蔣建光祖籍香港，1991 年和父母一起移民到澳大利亞。移民之前，他在香港圣弗蘭西斯沙維爾中學(xué)接受了 6 年的教育。

他表示：「這是我學(xué)習(xí)經(jīng)歷的一個重要部分，也是我培養(yǎng)化學(xué)興趣的地方。這所學(xué)校為我提供了一個良好的成長環(huán)境，在那里我的化學(xué)思想受到了啟發(fā)。這對我選擇大學(xué)專業(yè)產(chǎn)生了巨大影響。后來我獲得獎學(xué)金，在澳洲新南威爾士大學(xué)拿到了我的化學(xué)工程學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位?！?/span>

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