新工艺可以低成本、大批量生产将二氧化碳转化为燃料的纳米粒子

借助新的纳米颗粒，将来可以捕获二氧化碳排放并将其转化为燃料。图片/CHRIS LEBOUTILLIER，PEXELS

想象一下一个未来派发电厂。该工厂没有将排放二氧化碳到大气中的烟囱，而是捕获了所有二氧化碳，将其转化为实际上可以为工厂供电的燃料：碳中性闭环。

南加州大学维特比工程学院的研究人员与美国能源部的国家可再生能源实验室（NREL）合作，正在努力使这一目标更加接近现实。研究小组发现了一种金属碳化物纳米粒子（碳和金属的化合物），可以将CO2转化为燃料。这是首次可以在低温下持续生产的纳米颗粒。

过渡金属碳化物（TMC）具有固有的多功能性和成分可调节特性，因此已被证明具有广泛的催化应用潜力。但是，制备这些材料所需的苛刻条件限制了对其物理性能的合成控制范围。开发用于制备TMC的低温、无渗碳路线将释放此类材料的多功能性，加深我们对它们的物理性能的了解，并使其能够在工业规模上经济高效地生产。

研究小组利用表面稳定配体和高沸点溶剂的存在下Mo(CO)6的热分解来产生α-碳化钼（α-MoC1–x）纳米粒子，这些纳米粒子具有胶体稳定性并且可以抵抗空气中的大量氧化。

这意味着可以以低成本、最小的环境影响和以工业规模生产颗粒，为减少世界温室气体排放提供了重要途径。

南加州大学维特比分校莫克家族化学工程和材料科学系教授诺亚·马尔姆施塔特（Noah Malmstadt）与NREL的弗雷德里克·巴杜尔（Frederick G. Baddour）和南加州大学化学教授理查德·布彻奇（Richard Brutchey）合作，他们的工作发表在《美国化学学会杂志》上。

USC维特比大学化学工程和材料科学教授诺亚·马尔姆施塔特（Noah Malmstadt）。

马尔姆施塔特说，该项目的目的是捕获来自烟道等排放源的碳排放，然后将其转化为可用的燃料，而纳米颗粒则充当催化剂来促进反应。

“我们将二氧化碳从碳氧键转变为碳氢键。因此，我们将二氧化碳重新转化为碳氢化合物。”马尔姆施塔特说。

碳氢化合物是基本燃料。您可以将它们转变为化学燃料，例如甲烷或丙烷。或者，您也可以将它们用作化学合成的基础原料，以便制造更复杂的化学物质。”

他说，碳氢化合物也是“原料”化学物质，有可能被用于制造其他碳基材料，因此碳排放量可以转化为制造消费产品以及碳氢燃料的材料。

马尔姆施塔特说，到现在为止，制造催化剂颗粒的过程都是非常耗能的，这使其成为转换碳排放量的不切实际的解决方案。碳化物通过将其加热到高于600℃的过程生成的，该过程使控制颗粒尺寸变得困难，这影响了它们作为催化剂的有效性。

他说，相比之下，研究小组的发现使用了微流体反应器工艺，这是一种规模很小的化学反应器系统，具有最小的环境足迹。这意味着可以在低至300℃的温度下生产颗粒，从而产生更小、更均匀的颗粒，这使其成为将CO2转化为碳氢化合物的理想选择。

“我们使用绿色化学方法可持续地生产这些颗粒。”马尔姆施塔特说。

他说：“化学反应器系统在小于一毫米的通道内运行，与传统的反应器相比，具有许多优势，特别是在制造非常均匀且质量很高的材料方面。”

马尔姆施塔特说，所得的纳米粒子具有非常高的表面积质量比。

他说：“因此，对于催化剂中所含的金属量，您将获得更多可以进行化学反应的活性表面积。”

纳米颗粒催化剂（悬浮在左侧瓶中的液体中）在漏斗中产生反应，将红色和黑色的二氧化碳分子变成碳氢化合物（黑色和白色）。图片/FREDERICK G.BADDOUR

马尔姆施塔特说，可以将反应过程与超级计算机随时间演变的方式进行比较。超级计算机安置在大型实验室中，并需要巨大的内存和高能耗的冷却系统。而当今的分布式或基于云的超级计算机系统仅仅是并行运行并共享资源的标准计算机的网格。

马尔姆施塔特说：“因此，采用这种方法来扩大化学生产规模将是相同的思路。与其使用大型化学反应器，不如使用一堆这样的微流体反应器，而只需将它们并行运行即可。”

马尔姆施塔特表示，与大规模化学反应器生产碳化物纳米颗粒相比，该工艺还可以节省大量成本。

“这为化学反应规模的扩展提供了一条简便的途径，并且从能源使用的可持续性以及生产这种材料的人员时数的角度来看，这些微流体途径比传统途径要低得多制造化学药品的方法。” 马尔姆施塔特说。