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

「我的博士生拿著(zhù)碳樣本，戴著(zhù)手套跑進(jìn)辦公室，高興地對我說(shuō)『Ken，我想我們成功了！』對于任何研究人員來(lái)說(shuō)，這都是一個(gè)值得慶幸的時(shí)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(gè)幾十年來(lái)一直沒(méi)有解決的長(cháng)期挑戰?！拱拇罄麃喣珷柋净始依砉ご髮W(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? 直接轉化為固體碳，可幫助推進(jìn)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(gè)一石二鳥(niǎo)的好辦法。既能促進(jìn)化學(xué)工業(yè)的可持續發(fā)展，同時(shí)還能減少向大氣排放 CO? 。每年將 CO? 轉化為化學(xué)品的工業(yè)轉化率約為 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(lèi)有望將原本的排放污染轉化為具有更高經(jīng)濟價(jià)值的產(chǎn)品。因為 CO? 本身化學(xué)性質(zhì)就不活潑，因此設計能以 CO? 為反應原料的固化材料仍然具有挑戰性。

考慮到高活性、替代易結焦的傳統固體材料，以及要克服 CO? 分解過(guò)程中高能量需求這幾點(diǎn)需求，蔣建光和團隊開(kāi)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焦能力等特點(diǎn)。

研究中，他們采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的鼓泡塔反應器。鼓泡塔反應器由石英制成，能夠承受高工作溫度下的活性試驗，還可提供高可見(jiàn)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?yè)?，蔣建光等人通過(guò)使用電子質(zhì)量流量控制器和止回閥，來(lái)調節進(jìn)入鼓泡塔反應器的氣態(tài) CO? 流量，以防止反應物回流。當 CO? 被注入液態(tài)金屬時(shí)，CO? 氣泡就像香檳酒杯中的氣泡一樣升起。當氣泡在液態(tài)金屬中移動(dòng)時(shí)，氣體分子分裂成片狀固體碳，反應只需一秒鐘。

如此快的化學(xué)反應速度，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。反應后，讓反應器及其內容物自然冷卻，并從 LM 熔體頂部收集碳產(chǎn)物以進(jìn)行進(jìn)一步測試。

蔣建光和團隊已證明，當溫度低于 400°C 時(shí)，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(shí)現了連續 CO? 轉化和出色的碳產(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? ，這為利用熱轉化方法奠定了基礎，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? 廢氣轉化為具有商業(yè)價(jià)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(cháng)期研究主題之一，他從事多相催化已有 20 多年。多年來(lái)，他一直和跨國能源公司合作開(kāi)發(fā)低排放工藝技術(shù)，包括制氫和  CO? 轉化為化學(xué)品/燃料。

不過(guò)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(jià)值產(chǎn)品方面取得了成功。然而，這些系統的一個(gè)基本特征是，盡管可把 CO? 化學(xué)轉化為化學(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(shí)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，相當于治標不治本，沒(méi)有解決根本問(wèn)題。此外，隨著(zhù)其他能源技術(shù)的快速適應，運輸部門(mén)被視為吸收 CO? 燃料的最大市場(chǎng)，但是 CO? 衍生產(chǎn)品的未來(lái)前景很難評估。因此，允許利用 CO? 生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品的替代戰略是非?？扇〉?。

蔣建光認為，將 CO? 轉化為高純度碳的新工藝是非?？扇〉?。生產(chǎn)后，碳可以運離現場(chǎng)進(jìn)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(shí)現該反應潛力的核心挑戰也與形成的碳有關(guān)。當碳形成時(shí)，它基本上會(huì )結焦并導致催化劑失活。

這時(shí)他意識到，需要跳出思維定勢，發(fā)展一種非傳統的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。早在 2018 年，蔣建光就開(kāi)始和其同事托本·德內克（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。德內克是一名材料化學(xué)家，多年來(lái)一直致力于液態(tài)金屬合金的研究。他一直嘗試利用相關(guān)材料來(lái)為電子應用發(fā)展超薄半導體。

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焦問(wèn)題。蔣建光補充稱(chēng)：「我們所取得的成果確實(shí)是化學(xué)工程師和材料化學(xué)家之間的『激烈反應』?！?/strong>

他認為，該技術(shù)可作為一種替代技術(shù)，捕獲 CO? 并將其轉化為固體碳。同樣，該技術(shù)顯然具備擴大規模的潛力，并在未來(lái)可以幫助水泥和鋼鐵生產(chǎn)等重工業(yè)工廠(chǎng)實(shí)現碳中和。據美國環(huán)保署稱(chēng) 2019 年的總排放量為 65.58 億噸 CO? 當量。

在全球范圍內，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(lái)說(shuō)，脫碳是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰，它們不僅是能源密集型行業(yè)，而且在生產(chǎn)過(guò)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(shí)立即將其轉化，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(shuō)，這項技術(shù)不是萬(wàn)能的。但我始終相信，我們需要一套類(lèi)似的技術(shù)來(lái)共同應對這一重大挑戰。每個(gè)行業(yè)合作伙伴的問(wèn)題往往都不相同，因此我們需要了解他們的特殊挑戰，并確定可能的途徑?！?/span>

他希望該技術(shù)能成為推動(dòng)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(lèi)接近凈零排放。目前，他們正在計劃模塊化設計，從而對更大規模的操作進(jìn)行改造。

另?yè)?，該技術(shù)已提交臨時(shí)專(zhuān)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(jià)值 260 萬(wàn)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)轉化，蔣建光主要關(guān)注制造業(yè)、而非發(fā)電廠(chǎng)。他說(shuō)，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)濟規模上得到了證明，所以避免排放通常比補救要好。

據悉，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)習經(jīng)歷的一個(gè)重要部分，也是我培養化學(xué)興趣的地方。這所學(xué)校為我提供了一個(gè)良好的成長(cháng)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(zhuān)業(yè)產(chǎn)生了巨大影響。后來(lái)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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