(DOE) 布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学的科学家们开发出一种方法，可将二氧化碳 (CO 2 ) 这种强效温室气体转化为碳纳米纤维，这种材料具有多种独特的性能以及许多潜在的长期用途。他们的策略使用在相对较低的温度和环境压力下运行的串联电化学和热化学反应。正如科学家在 《自然催化》杂志上描述的那样，这种方法可以成功地将碳以有用的固体形式锁住，以抵消甚至实现负碳排放。

“你可以将碳纳米纤维放入水泥中以增强水泥强度，”领导这项研究的哥伦比亚大学化学工程教授、布鲁克海文实验室联合任命的陈景光说。“这会将碳锁在混凝土中至少 50 年，甚至可能更长。到那时，世界应该主要转向不排放碳的可再生能源。”

此外，该过程还产生氢气 (H 2 )，这是一种很有前途的替代燃料，使用时可实现零排放。

捕获或转化碳

捕获CO 2或将其转化为其他材料来应对气候变化的想法 并不新鲜。但仅仅储存CO 2 气体就会导致泄漏。许多 CO 2 转化产生立即使用的碳基化学品或燃料，从而将 CO 2释放 回大气中。

“这项工作的新颖之处在于，我们试图将 CO 2转化 为具有附加值但以固体、有用的形式存在的物质，”Chen 说。

这种固体碳材料(包括尺寸为十亿分之一米的碳纳米管和纳米纤维)具有许多吸引人的特性，包括强度、导热性和导电性。但从二氧化碳中提取碳并将其组装成这些精细结构并不是一件简单的事情。一种直接的热驱动过程需要超过 1,000 摄氏度的温度。

“大规模CO 2 减排是非常不现实的，”陈说。“相比之下，我们发现一个过程可以在大约 400 摄氏度下发生，这是一个更实用、工业上可实现的温度。”

串联两步法

诀窍是将反应分成几个阶段，并使用两种不同类型的催化剂——使分子更容易聚集在一起并发生反应的材料。

“如果将反应分解为几个子反应步骤，则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发挥作用，”该论文的第一作者、布鲁克海文实验室和哥伦比亚大学研究科学家谢振华说。

科学家们首先意识到，对于制造碳纳米纤维 (CNF)，一氧化碳 (CO) 是比 CO 2更好的起始材料 。然后他们回溯寻找从CO 2生成CO 的最有效方法。

他们小组的早期工作引导他们使用由碳负载钯制成的市售 电催化剂。电催化剂利用电流驱动化学反应。在流动电子和质子存在的情况下，催化剂将CO 2 和水(H 2 O) 分解为CO 和H 2。

第二步，科学家们转向 由铁钴合金制成的热激活热催化剂。它的运行温度约为 400 摄氏度，比直接将 CO 2转化为 CNF 所需的温度要温和得多。他们还发现，添加一点额外的金属钴可以大大增强碳纳米纤维的形成。

“通过耦合电催化和热催化，我们正在使用这种串联过程来实现单独通过任何一种过程都无法实现的目标，”陈说。

催化剂表征

为了了解这些催化剂如何运作的细节，科学家们进行了广泛的实验。其中包括布鲁克海文实验室国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 的计算建模研究、物理和化学表征研究 (使用快速 X 射线吸收和散射 (QAS) 和 内壳光谱 (ISS) 光束线)以及显微成像在 实验室 功能纳米材料中心(CFN) 的电子显微镜设施中 。

在建模方面，科学家们使用“密度泛函理论”(DFT)计算来分析催化剂与活性化学环境相互作用时的原子排列和其他特性。

“我们正在研究结构，以确定反应条件下催化剂的稳定相，”该研究的合著者、布鲁克海文化学部门的刘平(Ping Liu)解释道，他领导了这些计算。“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步骤的势垒或过渡态，我们可以准确地了解催化剂在反应过程中如何发挥作用。”

NSLS-II 的 X 射线衍射和 X 射线吸收实验追踪了催化剂在反应过程中发生的物理和化学变化。例如，同步加速器 X 射线揭示了电流的存在如何将催化剂中的金属钯转化为氢化钯，氢化钯是 在第一反应阶段产生 H 2和 CO 的关键金属。

对于第二阶段，“我们想知道反应条件下铁钴体系的结构是什么以及如何优化铁钴催化剂，”谢说。X射线实验证实，存在铁和钴的合金以及一些额外的金属钴，并且需要将二氧化碳转化为碳纳米纤维。

“两者按顺序一起工作，”刘说，他的 DFT 计算有助于解释这个过程。

“根据我们的研究，合金中的钴铁位点有助于破坏一氧化碳的 CO 键。这使得原子碳可以作为构建碳纳米纤维的来源。然后多余的钴会促进连接碳原子的 CC 键的形成，”她解释道。

可回收、负碳

CFN 科学家兼研究合著者 Sooyeon Hwang 表示：“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情况下碳纳米纤维内的形态、晶体结构和元素分布。”

图像显示，随着碳纳米纤维的生长，催化剂被向上推离表面。陈说，这使得回收催化金属变得很容易。

“我们使用酸浸出金属而不破坏碳纳米纤维，这样我们就可以浓缩金属并回收它们以再次用作催化剂，”他说。

研究人员表示，催化剂回收的便利性、催化剂的商业可用性以及第二个反应相对温和的反应条件都有助于对与该过程相关的能源和其他成本进行有利的评估。

“对于实际应用来说，CO 2 足迹分析和催化剂的可回收性这两者都非常重要，”陈说。“我们的技术结果和其他分析表明，这种串联策略为将 CO 2脱碳转化 为有价值的固体碳产品，同时生产可再生 H 2打开了大门。”

如果这些过程由可再生能源驱动，其结果将是真正的碳负值，为 CO 2 减排带来新的机遇。

这项研究得到了美国科学办公室 (BES) 的支持。DFT