科学家们正在尝试吧二氧化碳排放转化为有价值的东西——而不需要太多能量
我们人类在2014年人类向大气中排放了359亿公吨的二氧化碳，其中大部分来自发电站燃烧煤和天然气，制造肥料和水泥，以及其他工业过程。康奈尔大学(Cornell University)的化学工程师Lynden Archer说，如果化学家能够捕获二氧化碳并以工业化的方式将其转化成其他产品的原料，那么“二氧化碳就不是累赘，而是礼物了。”
多年来，科学家们一直在尝试贮藏从发电站和其他排放设施的废烟道气中捕获的二氧化碳，但主要是通过压缩进地下深处的办法。然而，如果没有大量补贴，这种昂贵的储存二氧化碳的方法在经济上是不可行的。把二氧化碳压缩进旧油田以采出更多的油是一个办法，但这还不够，而且考虑到目前的低油价，它是否划算还不太确定。倡导利用二氧化碳而不是储存它的人希望能够通过将这个无用的产物转化为有价值的产物来获得利润。最可能实现的办法是将这种气体作为生产化学品的原料，这同时可以用一些更环保的东西替换掉石油化学品。
这些倡导者面临一个化学难题。二氧化碳是一种稳定的分子，它的化学键中并没有储藏太多能量。如果要利用二氧化碳，化学家需要输入能量，通常是通过加热，但这需要用电。大部分电来自燃烧煤或天然气的发电站——这又会向大气中排放更多的二氧化碳，甚至比捕获到的更多。
工程师，化学家和其他研究者说，新技术正在改变这种局面。Xprize基金会能源与环境组的资深科学家Paul Bunje希望为解决方案提供一个大奖可以激励不同的技术团队。下周三，基金会将宣布超过40个团队正在竞争一份2千万美金的大奖。结果将会在2020年春季宣布。赢家的方案需要把最多的二氧化碳转化为净值最高的产品。一些团队考虑生产聚合物，或者替代汽油的燃料，或者工业化学品。
从长远来看，所有不同的企业生产这样或那样的化学品，构成一个碳利用工业，这将改变世界。像气候变化这样大规模的问题需要多种解决方法，Bunje说。
碳Xpriza咨询委员会成员之一，康奈尔的Archer说，“现在的问题是化学界的人如何创造出新的反应，新的机理来将二氧化碳作为原料利用起来。”在本周的《科学进展》(Science Advances)上，他提供了一个答案：一种能在把二氧化碳转化为可销售的化学品的同时发电的燃料电池。Archer和他的学生Wadji Al Sadat 建造了一个原型反应堆，可以使二氧化碳、铝和氧气结合生成草酸盐。草酸盐可以用于制造酸、除锈剂、织物染料以及其他工业化学品。
Archer深知尝试利用二氧化碳做环境友好型化学的陷阱所在。“通常你需要消耗如此多的能量，成本高昂——但我们可以重新得到这些能量，”他说，“这令我惊喜。”
电池在铝和空气的条件下运行。电池里面，氧气和一个铝电极反应形成高活性的过氧化铝，过氧化铝可以和较为惰性的二氧化碳反应。这两个反应生成了草酸铝。Archer说，燃料电池从这些化学反应中捕获一部分能量，尽管需要一定的电压来驱动反应，但这个过程放出的电量比消耗的多。因为金属是被消耗的，因此选择合适的金属就很关键。他选择铝是因为铝资源丰富，而且不贵。而且尽管生产铝的过程会排放二氧化碳，Archer希望他这个系统可以捕获足够多的二氧化碳来生成草酸盐，以抵消排放的二氧化碳。
康奈尔团队提醒说，他们并不完全了解涉及的化学反应。比如说，燃料电池的早期版本使用了一种称为离子液体的昂贵材料来作为电解液。如果离子液体在其中起到了关键作用而且不可替代，这些技术可能最终是不可行的，Archer说。
草酸盐的需求量并不大，许多致力于碳利用的创业公司生产的化学品的需求量也不大。但是有些公司目标更为宏大。Skyonic在德克萨斯州圣安东尼奥(San Antonio)的试验工厂可以捕获水泥装置的排放气病将其转化为石灰石和酸。Solidia Technologies公司将二氧化碳压缩进混凝土中。其他不同平台的公司也致力于生产塑料、可替代燃料和化学原料。
Howard Herzog说，许多这些承诺使用捕获的二氧化碳的项目看起来好得有点不真实，不过他并不是非常了解任何一个项目。Herzog是麻省理工大学能源计划的高级研究工程师，也是封存碳的支持者。他说，“二氧化碳是使用过的能源。”如果不在产品的生命周期中供入更多的能源，从商业化学品或能源中提取出二氧化碳的价值是十分困难的。“你无法在能源方面获胜。热力学是这么告诉我们的，”Herzog说。
尽管Herzog承认一些这类型的公司也许能够盈利，但他仍对碳利用对环境的潜在影响表示怀疑。他曾是2005年IPCC关于二氧化碳捕获和储存的特别报告的主要作者，并认为报告中关于碳利用的结论仍然是成立的：减少全球排放量的可能性很小。即使化学工业利用二氧化碳来生产所有的产品——没有人认为这能实现——它们也不能抵消所有的排放。
加州伯克利一个创业公司Opus 12的创始人之一Kendra Kuhl清楚地知道，碳利用不会彻底解决世界的排放问题。Opus 12正在研究一个电化学的反应以利用新颖的催化剂和可再生的电力来讲二氧化碳转化为 聚合物原料和其他化学品。Kuhl说Opus 12会参与碳XPriza的竞争。她说，即使没有足够的产品需求来消耗巨大的二氧化碳排放，考虑到继续挖掘化石燃料来养活石化行业带来的环境后果，尝试利用二氧化碳仍是值得尝试的。“化学行业需要一种新的方式。”
翻译/陈璟仪
审校/张哲
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