工程师开发了一种从二氧化碳中制造燃料的高效工艺

全世界都在寻找从空气或发电厂废气中提取二氧化碳的方法，然后将其制成有用的东西。其中一个更有希望的想法是使其成为一种稳定的燃料，可以在某些应用中取代化石燃料。但大多数此类转化过程都存在碳效率低的问题，或者它们产生的燃料可能难以处理、有毒或易燃。

现在，麻省理工学院和哈佛大学的研究人员开发了一种有效的工艺，可以将二氧化碳转化为甲酸盐，甲酸盐是一种液体或固体材料，可以像氢气或甲醇一样用于为燃料电池提供动力并发电。钾或甲酸钠已经以工业规模生产，通常用作道路和人行道的除冰剂，无毒、不易燃、易于储存和运输，并且可以在生产后数月甚至数年内在普通钢罐中保持稳定。

新工艺由麻省理工学院博士生 Zhen Zhang、Zhichu Ren 和 Alexander H. Quinn 开发;哈佛大学博士生奚大伟;麻省理工学院教授李钜（Ju Li）本周在《细胞报告物理科学》（Cell Reports Physical Science）上的一篇开放获取论文中进行了描述。整个过程——包括将气体捕获和电化学转化为固体甲酸盐粉末，然后将其用于燃料电池发电——在小规模的实验室中进行了演示。然而，研究人员希望它是可扩展的，以便它可以为单个家庭提供无排放的热量和电力，甚至可以用于工业或电网规模的应用。

Li解释说，将二氧化碳转化为燃料的其他方法通常涉及两个阶段的过程：首先，气体被化学捕获并转化为固体形式，如碳酸钙，然后加热该材料以驱除二氧化碳并将其转化为燃料原料，如一氧化碳。第二步的效率非常低，通常将不到20%的气态二氧化碳转化为所需的产品，Li说。

相比之下，新工艺实现了超过90%的转化率，并且通过首先将二氧化碳转化为中间形式（液态金属碳酸氢盐）消除了对低效加热步骤的需要。然后，该液体在使用低碳电力（例如核能、风能或太阳能）的电解槽中电化学转化为液态钾或甲酸钠。Li说，生产的高浓度液体钾或甲酸钠溶液可以干燥，例如通过太阳能蒸发，以生产高度稳定的固体粉末，并且可以在普通钢罐中储存长达数年甚至数十年。

该团队开发的几个优化步骤在将低效的化学转化过程转变为实用的解决方案方面发挥了重要作用，李说，他在核科学与工程系和材料科学与工程系担任联合职务。

碳捕获和转化过程首先涉及基于碱性溶液的捕获，该捕获将二氧化碳浓缩为液态金属碳酸氢盐溶液的形式，这些二氧化碳来自发电厂排放物等浓缩流，或者来自非常低浓度的来源，甚至是露天。然后，通过使用阳离子交换膜电解槽，这种碳酸氢盐被电化学转化为固体甲酸盐晶体，其碳效率大于96%，正如该团队在实验室规模的实验中所证实的那样。

这些晶体具有无限期的保质期，保持稳定，可以储存数年甚至数十年，几乎没有损失。相比之下，即使是最实用的储氢罐也允许气体以每天约1%的速度泄漏，排除了任何需要长达一年储存的用途，李说。甲醇是另一种被广泛探索的将二氧化碳转化为可用于燃料电池的燃料的替代品，它是一种有毒物质，不容易适应在泄漏可能对健康造成危害的情况下使用。另一方面，根据国家安全标准，甲酸盐被广泛使用并被认为是良性的。

有几项改进大大提高了该过程的效率。首先，对膜材料及其配置的精心设计克服了以前尝试这种系统时遇到的问题，即某些化学副产物的积聚会改变pH值，导致系统随着时间的推移稳步失去效率。“传统上，很难实现原料的长期、稳定、连续转化，”张说。“我们系统的关键是实现稳态转换的pH平衡。”

为了实现这一目标，研究人员进行了热力学建模来设计新工艺，使其化学平衡，pH值保持稳定，酸度不会随时间变化。因此，它可以在很长一段时间内继续高效运行。在他们的测试中，该系统运行了 200 多个小时，输出没有显着下降。整个过程可以在环境温度和相对较低的压力（大约五倍大气压）下完成。

另一个问题是，不需要的副反应会产生其他无用的化学产物，但研究小组想出了一种方法来防止这些副反应，方法是引入额外的富含碳酸氢盐的玻璃纤维棉“缓冲”层来阻止这些反应。

该团队还建造了一个燃料电池，专门针对使用这种甲酸盐燃料发电进行了优化。储存的甲酸盐颗粒只需溶解在水中，并根据需要泵入燃料电池。尽管固体燃料比纯氢重得多，但当考虑到储存氢气所需的高压气罐的重量和体积时，最终结果是给定储存量的电力输出接近平价。

研究人员说，甲酸盐燃料有可能适用于从家庭大小的装置到大规模工业用途或电网规模的存储系统。最初的家庭应用可能涉及一个大约冰箱大小的电解槽装置，用于捕获二氧化碳并将其转化为甲酸盐，甲酸盐可以储存在地下或屋顶储罐中。然后，在需要时，将粉末状固体与水混合并送入燃料电池以提供电力和热量。“这是为了社区或家庭示威，”张说，“但我们相信，在未来，它也可能对工厂或电网有好处。

“甲酸盐经济是一个有趣的概念，因为金属甲酸盐非常良性和稳定，并且是一种引人注目的能量载体，”西北大学化学和电气与计算机工程教授Ted Sargent说，他与这项工作无关。“作者已经证明了从碳酸氢盐原料到甲酸盐的液态到液态转化的效率提高，并证明这些燃料可以在以后用于发电，”他说。

这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。