想象一下，从汽车排气管和其他来源中提取二氧化碳，并将这种主要的温室气体转化为天然气或丙烷等燃料:一个可持续发展的梦想实现了。
Aitbekova(左)和Matteo Cargnello站在反应堆前，Aitbekova为该项目进行了大量实验。(图片来源:洛杉矶西塞罗)
最近的几项研究表明，这种转化取得了一些成功，但斯坦福大学工程师的一种新方法产生的乙烷、丙烷和丁烷是现有使用类似过程的方法的四倍。虽然这不是一种包治百病的气候疗法，但这一进展可能会显著降低近期对全球变暖的影响。
“人们可以想象一个碳中性循环，它从二氧化碳中产生燃料，然后燃烧它，产生新的二氧化碳，然后又转化为燃料，”斯坦福大学化学工程助理教授马泰奥·卡格内洛(Matteo Cargnello)说。
尽管这一过程还只是一个基于实验室的原型，研究人员预计它可以扩展到足以生产出可用的燃料。然而，在普通消费者能够购买基于这些技术的产品之前，还有很多工作要做。下一步包括努力减少这些反应产生的有害副产品，比如有毒污染物一氧化碳。该组织还在研究生产其他有益产品的方法，而不仅仅是生产燃料。其中一种产品是烯烃，它可以用于许多工业应用，是塑料的主要成分。
一步两步
之前将二氧化碳转化为燃料的工作包括两个步骤。第一步是将二氧化碳还原为一氧化碳，然后第二步是将一氧化碳与氢结合形成碳氢化合物燃料。这些燃料中最简单的是甲烷，但其他可生产的燃料包括乙烷、丙烷和丁烷。乙烷是天然气的近亲，可用于工业生产乙烯，乙烯是塑料的前体。丙烷通常用于家庭供暖和燃气烤架。丁烷是打火机和野营炉中常用的燃料。
Cargnello认为，在一个单一的反应中完成这两个步骤会更有效率，并着手创造一种新的催化剂，可以同时剥离二氧化碳中的氧分子并将其与氢结合。(催化剂在不消耗自身能量的情况下引发化学反应。)研究小组成功地将钌和氧化铁纳米颗粒结合成催化剂。
“这个钌块位于核心，包裹在铁的外鞘中，”卡格内洛实验室的博士生、论文的第一作者艾苏鲁·艾特别科娃(Aisulu Aitbekova)说。“这种结构激活了二氧化碳中碳氢化合物的形成。它改善了从开始到结束的整个过程。”
研究小组并没有打算创造这种核-壳结构，而是通过与杰出的科学家西蒙·贝尔以及SLAC国家加速器实验室的其他人合作发现了它。SLAC精密的x射线表征技术帮助研究人员可视化和检查他们的新催化剂的结构。Cargnello说，如果没有这种合作，他们就不会发现最优的结构。
“从那时起，我们开始以核-壳结构直接设计这种材料。然后我们发现，一旦我们这样做了，碳氢化合物的产量就会大大提高，”Cargnello说。“这种结构特别有助于反应的进行。”
Cargnello认为这两种催化剂以标签团队的方式作用，以改善合成。他怀疑钌会使氢与二氧化碳中的碳发生化学反应。然后氢会溢出到铁壳上，这使得二氧化碳的反应性更强。
当研究小组在实验室测试他们的催化剂时，他们发现乙烷、丙烷和丁烷等燃料的产率比之前的催化剂高得多。然而，该集团仍面临一些挑战。他们希望减少钌等贵金属的使用，并优化催化剂，使其能够选择性地制造特定的燃料。
其他的斯坦福贡献者包括博士生Emmett Goodman和博士后研究员吴立恒。来自SLAC国家加速器实验室的贡献者包括副研究员亚当·霍夫曼和博士后学者阿列克谢·布布诺夫。其他合著者来自Thermo Fisher Scientific。
这项研究得到了Precourt能源研究所、斯坦福大学工程学院、特曼学院奖学金、斯坦福研究生奖学金、EDGE奖学金和国家科学基金会的支持。
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