来源：前瞻网
想象一下，有一天，发电厂和重工业排放的气体不再被排放到大气中，而是被捕获并送入催化反应器，催化反应器通过化学方法将二氧化碳等温室气体转化为工业燃料或化学品，只排放氧气。
Haotian Wang说，这是一个比许多人想象的更近的未来。
作为哈佛罗兰研究所(Rowland Institute)的一名研究员，Wang和他的同事开发了一种改进的系统，可以利用可再生电力将二氧化碳转化为一氧化碳，一氧化碳是许多工业过程中使用的一种关键商品。
这种系统在11月8日发表在《焦耳》上的一篇论文中进行了描述。
“最有前途的想法可能是将这些设备与燃煤发电厂或其他产生大量二氧化碳的行业连接起来，”Wang说。
“大约20%的气体是二氧化碳，所以如果你能把它们注入这个系统……将其与清洁电力结合起来，我们就能以可持续的方式从这些废物中生产出有用的化学物质，甚至可以关闭二氧化碳循环的一部分。”
Wang说，新系统与他和同事在2017年化学杂志上首次描述的系统相比，迈出了戏剧性的一步。
旧系统勉强跟手机差不多大小，依靠两个充满溶液的小室，每个小室内有一个电极，而新系统更加便宜并且依赖于高浓度的二氧化碳气体和水蒸气，能够更加高效地运作。Wang说，只需要一个10x10厘米的单元，每小时就可以产生高达四升一氧化碳。
Wang说，新系统解决了两个主要挑战——成本和可伸缩性——这被认为是最初的方法的限制。
“在早期的工作中，我们发现了单一的镍原子催化剂，这是被仔细挑选用来减少二氧化碳转化成一氧化碳的……但我们面临的一个挑战是，合成这些材料的成本很高。”
“我们用来固定单个镍原子的支撑是基于石墨烯的，这使得如果你想以克甚至公斤的规模来生产它以供未来的实际使用，将会非常困难。”
他说，为了解决这个问题，他的团队转向了一种比石墨烯便宜数千倍的商业产品——炭黑。
Wang和他的同事利用类似于静电吸引的方法，能够将单个镍原子(带正电荷)吸收到炭黑纳米颗粒(带负电荷)的间隔中，从而产生低成本和选择性高的CO2还原材料。
“目前，我们最多只能生产克，但以前我们只能每批生产毫克，”Wang说。
“但这仅限于我们现有的合成设备;如果你有一个更大的容器，你可以制造出几公斤甚至几吨这种催化剂。”
Wang和他的同事们必须克服的另一个挑战是，原来的系统只能在液体溶液中工作。
最初的系统通过在一个腔内使用电极将水分子分裂成氧和质子来工作。
随着氧的气泡消失，通过液体溶液的质子会进入第二个腔室，在镍催化剂的帮助下，它们会与二氧化碳结合，将分子分解，留下CO和水。
然后这些水可以被送回第一个房间，在那里它会再次分裂，这个过程会重新开始。
“问题是，我们可以在这个系统中减少的二氧化碳只是那些溶解在水中的;催化剂周围的大部分分子都是水。只有少量的二氧化碳，所以效率很低。”
Wang说，虽然简单地增加催化剂上的电压以提高反应速率是很诱人的，但这可能会产生分解水的意外后果，而不是减少二氧化碳。
“如果你耗尽靠近电极的二氧化碳，其他分子必须扩散到电极上，这需要时间，” Wang说。
“但如果你增加电压，周围的水更有可能利用这个机会反应并分裂成氢和氧。”
结果证明，解决方案相对简单——为了避免水分子分裂，研究小组将催化剂从溶液中取出。
“我们用水蒸气取代了液态水，并以高浓度的二氧化碳气体为原料，”他说。
“因此，如果旧系统中是超过99%的水和不到1%的二氧化碳，现在我们可以完全逆转这一趋势，将97%的二氧化碳气体和3%的水蒸气泵入这个系统。”
在此之前，液态水在系统中也是离子导体，现
在我们用离子交换膜来代替，帮助离子在没有液态水的情况下移动。
“影响是我们可以提供一个数量级的更高的电流密度，”他继续说。
“以前，我们的工作速度大约是每厘米10毫安，但今天我们可以轻松地提高到100毫安。”
Wang说，未来该系统仍有挑战需要克服，特别是与稳定性相关的挑战。
他说:“如果你想利用它对经济或环境造成影响，它需要连续运行数千小时。”
“现在，我们可以这样做几十个小时，所以仍然有很大的差距，但我相信这些问题可以通过对二氧化碳还原催化剂和水氧化催化剂进行更详细的分析来解决。”
最终，Wang说，总有一天，工业将能够捕获现在排放到大气中的二氧化碳，并将其转化为有用的产品。
“一氧化碳不是一种特别高价值的化学产品，”Wang说。
“为了探索更多的可能性，我的团队还开发了几种铜基催化剂，可以进一步降低二氧化碳含量，生产出更有价值的产品。”
Wang认为，他在罗兰学院所享受的自由帮助他实现了新系统等突破。
“我作为一名早期职业研究员，罗兰为我提供了一个很好的独立研究平台，它开启了我的团队将继续推进的研究方向的很大一部分，” Wang说。
“我肯定会怀念在这里的日子。”
