全球各地的科学家和研究人员正不懈地探索如何从大气或发电厂排放物中获取二氧化碳，并将其转化为宝贵的资源。在这些努力中，麻省理工学院和哈佛大学的工程师们将二氧化碳转化为高效燃料，有望在各种应用中替代化石燃料。早期的转化方法面临着碳效率低和产生危险燃料等挑战。预计新的转化工艺在大规模应用方面将更加高效。
麻省理工学院和哈佛大学的研究人员取得了一项重大突破，他们开发出一种高效的二氧化碳转化为甲酸盐的工艺。这项卓越的成就为利用甲酸盐作为一种用途广泛的材料铺平了道路，无论以液态还是固态形式存在，它都可以像甲醇或氢气一样用于燃料电池发电。
这项新工艺是由麻省理工学院博士生Alexander H. Quinn、Zhen Zhang和Zhichu Ren团队，以及哈佛大学学生Dawei Xi和麻省理工学院教授 Ju LI共同开发的。
甲酸钠，俗称甲酸钾，目前已实现工业化生产。它最常用于人行道和道路的除冰。甲酸钠不易燃、无毒，且易于储存和运输。此外，它在普通钢罐中也能保持稳定，可存放数月之久。有时，这种材料甚至在生产数年后仍可继续使用。
关于流程
整个过程包括捕获气体并将其电化学转化为固体甲酸盐粉末。在实验室的小规模实验中，研究团队演示了如何将这种粉末转移到燃料电池中发电。
李教授指出，其他将二氧化碳转化为燃料的方法都涉及两个阶段的过程。它们是：
- 捕获气体并将其转化为固体碳酸钙。然后加热材料，在此过程中去除二氧化碳。之后，它被转化为一氧化碳等燃料原料。
- 第二步效率不高，通常只能将不到20%的气态二氧化碳转化为所需产品。
碳捕获与转化是一个始于使用碱性溶液捕获二氧化碳的过程。该溶液将来自不同来源（例如发电厂甚至空气）的二氧化碳浓缩成液态金属碳酸氢盐形式。
利用阳离子交换膜电解槽，碳酸氢盐通过电化学方式转化为固体甲酸盐晶体。该团队通过严格的实验室规模实验验证了碳转化效率超过96% 。
李教授表示，这种晶体不会过期，可以储存多年而不会有任何损耗。相比之下，即使是目前最好的氢气储存罐，每天也会有大约1%的氢气泄漏。这使得它们无法用于长期储存。
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高转换率
相比之下，新工艺的转化率超过90%，优于之前的方法。此外，它通过将二氧化碳转化为一种名为液态金属碳酸氢盐的高效中间体，省去了效率低下的加热步骤。
随后，该液体在由核能、风能或太阳能等低碳电力驱动的电解槽中通过电化学转化转化为液态甲酸钾或甲酸钠。
不同形式的甲酸盐
李教授指出，高浓度的甲酸钾或甲酸钠溶液可以干燥成固体粉末。这一过程可以通过太阳能蒸发等方法实现。所得粉末稳定性极佳，可以安全地储存在标准钢罐中，保存数年甚至数十年。
麻省理工学院和哈佛大学的工程师将二氧化碳转化为高效燃料，这一成功启发研究人员将其规模化，使其不仅能为家庭供电，还能产生零排放的热能。此外，它还可用于电网级运行或工业领域。
李教授表示，该团队开发的多项优化技术在将低效的化学转化过程转化为可行的解决方案方面发挥了关键作用。李教授在核科学与工程系和材料科学与工程系任职，他强调了这些优化步骤所取得的重大影响。
随后，在必要时，将固体粉末与水混合，并送入燃料电池中，以同时提供电能和热能。“这目前是为社区或家庭示范而开发的，但我们相信，未来它也可能适用于工厂或电网，”张先生说。
甲醇是一种有毒物质，在安全方面存在挑战，而甲酸盐则是一种可行且更安全的替代方案，可将二氧化碳转化为适用于燃料电池的燃料。国家安全标准认可甲酸盐是一种广泛使用且无害的选择，即使在潜在泄漏的情况下，也能提供可靠的解决方案，不会危害人员健康。
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迈向成功的步骤
由于多项增强功能，该过程的效率得到了极大提高。
- 首先，对膜材料及其排列的精心设计解决了该系统先前尝试时遇到的一个问题。
- 在这些情况下，特定化学副产品的积累会改变 PH 值，导致效率随着时间的推移逐渐下降。
张教授表示：“传统上，很难实现原料的长期、稳定、连续转化。我们系统的关键在于实现pH平衡，从而达到稳态转化。”
为了实现这一目标，研究人员进行了热力学建模，旨在设计一种能够维持化学平衡和稳定pH值、且酸度无波动的新工艺。如此一来，该系统便能以最佳效率长时间运行。
该系统经过超过200小时的测试，输出功率没有显著下降。该过程可在环境温度和相对较低的压力下进行，压力约为大气压的五倍。
另一个问题是，由于不必要的副反应，产生的化学副产品没有用处。不过，该团队通过引入一层额外的层解决了这个问题，该层由富含碳酸氢盐的玻璃纤维棉制成，可以防止这些反应。
此外，该团队还开发了一种专门用于高效利用这种甲酸盐燃料发电的燃料电池。储存的甲酸盐颗粒易溶于水，并在需要时无缝注入燃料电池。
李表示，虽然固体燃料比纯氢重得多，但考虑到储存氢气所需的高压气罐的重量和尺寸，在给定的储存体积下，最终的发电量几乎是相等的。
甲酸盐的各种潜在应用
研究人员表示，甲酸盐燃料具有广泛的应用潜力，从小型家用装置到大型工业应用或电网级储能系统均可适用。在家庭层面，可以使用冰箱大小的电解槽来捕获二氧化碳并将其转化为甲酸盐，然后将其储存在地下或屋顶储罐中。
麻省理工学院和哈佛大学的工程师将二氧化碳转化为高效燃料。西北大学化学系和电气与计算机工程系教授泰德·萨金特（Ted Sargent，他并未参与这项研究）表示：“甲酸盐经济是一个引人入胜的概念，因为金属甲酸盐性质温和稳定，是一种极具吸引力的能源载体。研究人员已经证明，从碳酸氢盐原料到甲酸盐的液-液转化效率更高，并且这些燃料可以用于后续发电。”
