绿色炼金术：催化组合将 CO2 转化为固体碳纳米纤维

串联电催化-热催化转化可以通过将碳锁定在有用的材料中来帮助抵消强效温室气体的排放。

美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学的科学家已经开发出一种将二氧化碳（CO₂）转化为碳纳米纤维的方法，这种材料具有广泛的独特性能和许多潜在的长期用途。他们的策略使用串联电化学和热化学反应，在相对较低的温度和环境压力下进行。正如科学家们在《自然催化》杂志上所描述的那样，这种方法可以成功地将碳锁定在有用的固体形式中，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，”哥伦比亚大学化学工程教授陈景光说，他在布鲁克海文实验室联合任命了这项研究。“这将使碳在混凝土中锁定至少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。

作为奖励，该过程还会产生氢气 （H₂），这是一种很有前途的替代燃料，使用时可产生零排放。

捕获或转化碳

捕获_{二氧化碳或将其}转化为其他材料以应对气候变化的想法并不新鲜。但仅仅储存 CO₂ 气体会导致泄漏。许多 CO 2 转化会产生立即使用的碳基化学品或燃料，从而将 CO₂ 直接释放回大气中。

“这项工作的新颖之处在于，我们正试图将CO₂转化为具有附加值的东西，但以一种坚实，有用的形式，”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。但是，从二氧化碳中提取碳并使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。

“大规模的_{二氧化碳减排}是非常不现实的，”陈说。“相比之下，我们发现了一个可以在大约400摄氏度下发生的过程，这是一个更实用的，工业上可以实现的温度。

串联两步法

诀窍是将反应分解为多个阶段，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做出反应的材料。

“如果你将反应分解成几个子反应步骤，你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，”布鲁克海文实验室和哥伦比亚大学研究科学家Zhenhua Xie说，他是该论文的主要作者。

科学家们首先意识到，一氧化碳（CO）是制造碳纳米纤维（CNF）的比CO₂更好的起始材料。然后，他们回溯到寻找从CO₂中产生CO的最有效方法。

他们小组的早期工作引导他们使用一种由碳负载的钯制成的市售电催化剂。电催化剂利用电流驱动化学反应。在流动的电子和质子存在下，催化剂将 CO₂ 和水 （H 2 O） 分解成 CO 和 H₂。

在第二步中，科学家们转向了一种由铁钴合金制成的热活化热催化剂。它在 400 摄氏度左右的温度下工作，比直接将 CO₂ 转换为 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。

“通过电催化和热催化的耦合，我们正在使用这种串联过程来实现单独使用任何一个过程都无法实现的目标，”Chen说。

催化剂表征

为了发现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辐射光源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——以及实验室功能纳米材料中心（CFN）电子显微镜设施的显微成像。

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，以确定催化剂在反应条件下的稳定相是什么，”该研究的共同作者布鲁克海文化学部门的Ping Liu解释说，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个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是如何发挥作用的。

NSLS-II的X射线衍射和X射线吸收实验跟踪了催化剂在反应过程中的物理和化学变化。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，氢化钯是一种在第一个反应阶段产生 H₂ 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如何，以及如何优化铁钴催化剂，”谢说。X射线实验证实，铁和钴的合金以及一些额外的金属钴都存在，并且需要将CO转化为碳纳米纤维。

“两者按顺序协同工作，”Liu说，他的DFT计算有助于解释这一过程。

“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。然后额外的钴可以促进连接碳原子的C-C键的形成，“她解释说。

可回收利用，负碳

“在CFN进行的透射电子显微镜（TEM）分析揭示了有和没有催化剂的碳纳米纤维内的形态，晶体结构和元素分布，”CFN科学家和研究合著者Sooyeon Hwang说。

图像显示，随着碳纳米纤维的生长，催化剂被推上并远离表面。Chen说，这使得回收催化金属变得容易。

“我们使用酸在不破坏碳纳米纤维的情况下浸出金属，因此我们可以浓缩金属并回收它们以再次用作催化剂，”他说。

研究人员说，这种催化剂回收的便利性，催化剂的商业可用性以及第二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，两者都非常重要——_{二氧化碳足迹分析和}催化剂的可回收性，”Chen说。“我们的技术结果和这些其他分析表明，这种串联策略为将 CO₂ 脱碳成有价值的固体碳产品打开了一扇门，同时生产可再生的 H₂。”

如果这些过程由可再生能源驱动，结果将是真正的负碳，为_{二氧化碳减排}开辟了新的机会。