人们正在进行持续的研究和实验，以找到从大气中捕获二氧化碳的最佳方法。美国能源部布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学的研究人员为此开发了一种创新方法。利用二氧化碳催化剂生产固体碳纳米纤维的过程不仅可以捕获碳，还可以产生氢气作为副产品。
美国能源部布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学的科学家们发现了一种将二氧化碳（CO2）转化为碳纳米纤维的方法。这些材料具有多种特殊性能，未来有望得到广泛应用。他们采用的策略是将电化学反应和热化学反应相结合，并在低温常压下进行。正如科学家们在论文中详细阐述的那样，这种创新方法能够有效地将碳封存在一种有价值的固态物质中，从而减少甚至逆转碳排放。此外，该过程还能产生氢气（H2 ），这是一种极具前景的替代燃料，使用后可实现零排放。
哥伦比亚大学化学工程系教授、同时也在布鲁克海文国家实验室任职的陈景光教授是这项研究的负责人，他表示： “你可以将碳纳米纤维添加到水泥中以增强水泥的强度。这样就能将碳锁定在混凝土中至少50年，甚至更久。到那时，世界应该已经转向主要使用不排放碳的可再生能源。”
碳捕获和转化
捕获并转化二氧化碳以应对气候变化并非新概念。然而，简单地储存二氧化碳气体可能会导致泄漏。许多二氧化碳转化过程会产生碳基化学品或燃料，这些物质或燃料会被立即使用，从而将二氧化碳释放回大气中。
陈教授说：“这项工作的创新之处在于，我们试图将二氧化碳转化为有附加值但又具有固体、有用形式的物质。”
碳纳米纤维和纳米管是尺寸为十亿分之一米的固体碳材料。其特性包括强度、热导率和电导率。从二氧化碳中提取碳并将其组装成精细结构并不容易。其中一项依赖热量的工艺需要 2° 以上的温度。
陈教授补充说：“对于大规模二氧化碳减排而言，这非常不现实。相比之下，我们发现了一种可以在约400摄氏度下进行的过程，这是一个更实用、更易于工业实现的温度。”
串联两步
反应分为两个阶段，使用两种不同类型的催化剂。这使分子更容易组织和反应。
论文第一作者、布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学的研究科学家谢振华表示：“如果将反应分解成几个子反应步骤，就可以考虑使用不同类型的能量输入和催化剂来使反应的每个部分都能进行。”
第四步
科学家发现，使用一氧化碳 (CO) 作为起始原料比使用二氧化碳 (CO2) 更有效地制备碳纳米纤维 (CNF)。随后，他们反向推导，确定了从二氧化碳生成一氧化碳的最有效方法。他们之前的研究使他们能够使用一种市售的碳负载钯电催化剂。这种电催化剂可以在电流的作用下将二氧化碳和水分解成一氧化碳和氢气。
第四步
为了利用二氧化碳催化剂生产固体碳纳米纤维，科学家们采用了一种由铁钴合金制成的热活化热催化剂。该催化剂的工作温度约为400摄氏度，远低于直接二氧化碳转化为碳纳米纤维所需的温度。他们还发现，添加少量额外的金属钴可以显著促进碳纳米纤维的形成。
陈教授说：“通过将电催化和热催化相结合，我们利用这种串联过程实现了单独使用任何一种过程都无法实现的目标。”
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催化剂调查
科学家们开展了多项实验以了解这些催化剂的作用机制。在建模方面，他们运用密度泛函理论（DFT）计算来研究催化剂在各种化学相互作用下的原子结构和其他性质。NSLS-II的X射线实验则监测了催化剂在整个反应过程中发生的物理和化学变化。
该研究的共同作者兼计算负责人、布鲁克海文国家实验室化学部的刘平表示：“我们正在研究催化剂的结构，以确定其在反应条件下的稳定相。我们正在研究活性位点以及这些位点如何与反应中间体结合。通过确定从一个步骤到另一个步骤的能垒或过渡态，我们可以准确了解催化剂在反应过程中是如何发挥作用的。”
谢补充道：“在第二阶段，我们想知道铁钴体系在反应条件下的结构，以及如何优化铁钴催化剂。”
X射线实验证实了铁钴合金的存在。实验还显示存在一些额外的金属钴，这是将一氧化碳转化为碳纳米纤维所必需的。刘教授表示：“两者协同作用，依次进行。根据我们的研究，合金中的钴铁位点有助于断裂一氧化碳的CO键。这使得原子碳可以作为构建碳纳米纤维的原料。而额外的钴则促进了连接碳原子的C-C键的形成。”
环保且碳中和
CFN 科学家兼该研究的合著者Soo Yeon Hwang说：“在 CFN 进行的透射电子显微镜 (TEM) 分析揭示了有催化剂和无催化剂的碳纳米纤维的形貌、晶体结构和元素分布。”
陈教授表示：“图像显示，随着碳纳米纤维的生长，催化剂被向上推离表面。这使得催化金属的回收变得容易。我们使用酸将金属浸出，而不会破坏碳纳米纤维，这样我们就可以浓缩金属并将其回收利用，再次用作催化剂。”
该工艺具有成本效益，原因如下：
- 催化剂的易用性 回收
- 催化剂的商业化应用
- 第二个反应的反应条件相对温和
“对于实际应用而言，二氧化碳足迹分析和催化剂的可回收性都非常重要。我们的技术结果和其他分析表明，这种串联策略为将二氧化碳脱碳为有价值的固体碳产品并生产可再生氢气打开了一扇大门，”陈教授补充道。
如果利用可再生资源为二氧化碳催化剂生产固体碳纳米纤维提供动力，那么它将真正实现碳中和。这将进一步为减少二氧化碳排放开辟新的机遇。
