将二氧化碳转化为燃料，塑料和其他有价值的产品

斯坦福大学和SLAC的研究人员正在研究将废二氧化碳（CO2）转化为化学原料和燃料，将强大的温室气体转化为有价值的产品的方法。该过程称为电化学转化。当使用可再生能源供电时，它可以减少空气中的二氧化碳含量，并以可随时使用的形式存储来自这些间歇性能源的能量。

SUNCAT的研究人员发现了一种改进这些转换关键步骤的方法，并探索了将改变气候的气体转变为工业规模的有价值产品所需要的方法。

降低大气中二氧化碳水平的一种方法是，从工厂和发电厂的烟囱中收集有力的温室气体，并利用可再生能源将其转化为我们所需要的物质。目前，该水平已达到800,000年的最高点。托马斯·贾拉米洛（Thomas Jaramillo）说。

作为SUNCAT界面科学和催化中心的主任，这是斯坦福大学与能源部SLAC国家加速器实验室的联合研究所，他有能力帮助实现这一目标。

SUNCAT研究的主要重点是寻找将CO2转化为化学品，燃料和其他产品的方法，从甲醇到塑料，清洁剂和合成天然气。现在，由化石燃料成分生产的这些化学物质和材料占全球碳排放量的10％。汽油，柴油和喷气燃料的产量占了很多。

“我们已经排放了太多的二氧化碳，而且我们有望继续排放数年，因为当今世界上80％的能源消耗来自化石燃料，”史蒂芬妮·尼托皮（Stephanie Nitopi）说，她的SUNCAT研究是她新的基础获得斯坦福大学博士学位。

她说：“您可以从烟囱中捕获二氧化碳并将其存储在地下。”“这是目前正在使用的一项技术。另一种选择是将其用作生产燃料，塑料和特种化学品的原料，这改变了财务模式。现在，废弃的CO2排放已成为您可以回收利用的有价值的产品，这为减少排放到大气中的CO2量提供了新的动力。那是双赢。”

我们请Nitopi，Jaramillo，SUNCAT的科学家克里斯托弗·哈恩（Christopher Hahn）和博士后研究员Lei Wang告诉我们他们正在从事什么工作，为什么这样做很重要。

问：首先是基础知识：您如何将二氧化碳转化为其他产品？

汤姆：它本质上是一种人工光合作用的形式，这就是美国能源部人工光合作用联合中心为我们的工作提供资金的原因。植物利用太阳能将空气中的二氧化碳转化为组织中的碳。同样，我们希望开发使用太阳能或风能等可再生能源的技术，以将二氧化碳从工业排放转化为碳基产品。

克里斯：一种实现此目的的方法称为电化学还原CO2，在此过程中，CO2气体会通过水鼓泡，然后与铜基电极表面的水发生反应。铜充当催化剂，以促使化学成分反应的方式将它们结合在一起。简而言之，最初的反应会从CO2中剥离出一个氧原子，形成一氧化碳或CO，CO是一种重要的工业化学品。然后其他电化学反应将CO转化为重要的分子，例如醇，燃料和其他东西。

今天，该方法需要铜基催化剂。这是已知的唯一可以完成这项工作的人。但是这些反应可以产生大量的产物，而分离出想要的产物是昂贵的，因此我们需要确定能够指导反应仅制备所需产物的新催化剂。

怎么会这样？

雷：在提高催化剂的性能方面，我们关注的关键问题之一是如何使其更具选择性，因此它们仅产生一种产品，而没有其他产物。大约90％的燃料和化学产品制造都依靠催化剂，而消除不想要的副产品则是成本的很大一部分。

我们还研究了如何通过增加催化剂的表面积来提高催化剂的效率，因此，在给定体积的材料中，有很多地方可以同时发生反应。这提高了生产率。

最近，我们发现了一些令人惊讶的东西：当我们通过将铜基催化剂制成片状“纳米花”形状来增加其表面积时，它使反应既高效又更具选择性。实际上，它几乎没有产生我们可以测量的副产物氢气。因此，这可以提供一种调整反应以使其更具选择性和成本竞争力的方法。

斯蒂芬妮：令人惊讶的是，我们决定重新审视所有我们发现的有关用铜催化电化学转化CO2的研究，以及人们尝试通过理论和实验来理解和微调该过程的许多方法，这可以追溯到四十年前。对此的研究呈爆炸式增长-截至2006年，已经发表了60篇论文，而如今已发表了430余篇论文-并与我们在丹麦技术大学的合作者进行的所有研究进行了分析，历时两年。

我们试图找出是什么使铜变得特别，为什么它是唯一可以使其中一些有趣的产品制成的催化剂，以及我们如何使其变得更有效率和选择性—究竟有哪些技术实际上推动了铜针技术的发展呢？我们还提供了有关有前途的研究方向的观点。

我们的结论之一证实了先前研究的结果：铜催化剂的表面积可用于提高反应的选择性和整体效率。因此，这非常值得考虑作为化学生产策略。

这种方法还有其他好处吗？

汤姆：绝对地。如果我们使用清洁的可再生能源（例如风能或太阳能）来驱动废物CO2受控转化为多种其他产品，则实际上可能会降低大气中的CO2含量，这是我们需要采取的行动，以减少排放量全球气候变化的最严重影响。

克里斯：而且，当我们使用可再生能源将CO2转换为燃料时，我们会将可再生能源中的可变能量存储为可以随时使用的形式。此外，使用合适的催化剂，这些反应可以在接近室温的条件下进行，而不是当今通常需要的高温和高压，从而使它们的能源使用效率更高。

我们离实现目标有多近？

汤姆：克里斯和我最近在《科学》杂志的《观点》杂志上探讨了这个问题，该文章是由多伦多大学和道达尔美国服务公司（TOTAL American Services）的研究人员撰写的，后者是一家石油和天然气勘探与生产服务公司。

我们得出的结论是，可再生能源的价格必须降到每千瓦时4美分以下，并且系统需要将输入的电能转换为效率至少为60％的化学产品，才能使这种方法在当今的方法上具有经济竞争力。

克里斯：此切换无法一次全部完成；化工行业太大而又复杂。因此，一种方法是从制造高价值，大批量的产品开始，例如乙烯，用于制造醇，聚酯，防冻剂，塑料和合成橡胶。如今，这是一个价值2300亿美元的全球市场。在可再生能源推动的过程中，从化石燃料转换成二氧化碳作为乙烯的起始原料，每年可以节省相当于约8.6亿公吨的二氧化碳排放量。

相同的逐步方法适用于CO2的来源。例如，工业最初可以使用来自水泥厂，啤酒厂或蒸馏厂的相对纯净的二氧化碳排放，这将带来分散生产的好处。每个国家都可以自给自足，开发所需的技术，并为人民提供更好的生活质量。

汤姆：一旦进入某些市场并开始扩展该技术，您就可以攻击其他如今难以在竞争中胜出的产品。本文得出的结论是，这些新过程有机会改变世界。

引文：

L.Wang等人，《自然催化》，2019年6月17日（10.1038 / s41929-019-0301-z）

S.Nitopi等人，《化学评论》，2019年5月22日（10.1021 / acs.chemrev.8b00705）

P.De Luna等人，《科学》，2019年4月26日（10.1126 / science.aav3506）