从空气中取二氧化碳工艺, 将它转换为碳纳米管

JOHN TIMMER - 5/31/2018, 1:15 AM

    最终产品比驱动这个过程的电更值钱。

多壁碳纳米管。NASA

    碳捕获和储存涉及从其它气体分离二氧化碳, 然后将其泵入地下储存。无需简单地关闭许多现有的化石燃料工厂来达到我们的气候目标可能需要这个, 如果我们在本世纪中叶超过排放目标, 这将是至关重要的。但这也给建设和运营化石燃料工厂带来了巨大的成本, 这解释为什么这个工艺从来没有过零星的示范项目点的。

    另一种存储方式涉及将被捕获的碳转化为一种有用的产品------某些 XPrize已经做出的它的挑战之一。这样做需要两样东西: 克服 CO2 的化学稳定性, 制造出一种有利润的产品。我们最近偶然发现了一点创造性的将空气中的二氧化碳转化成一个应该有利可图的高质量的碳纳米管产品的化学。

空气中的某些东西

    我们目前制造碳纳米管的方法通常依赖碳氢化合物。这种来源的化学有助于驱动管形成反应, 因为它对从这些分子中去除氢能是能量上有利的。不幸的是, 这并没有摆脱 CO2, 它只会在某种一些碳终结成纳米管而不是空气的意义上对排放有好处。但新的论文依赖一些截然不同的化学来供应碳。它使用一种电化学工艺将碳储存在一个电极上并在第二个电极上释放氧。它依赖一种融化的在这个过程中分解并通过吸吮CO2 的空气再生它自己的盐。

    问题中的盐是碳酸锂或 Li2CO3, 这在723°C温度的反应熔融。分解产生锂氧化物 (Li2O, 但不是锂晶体)并释放碳和氧。由于氧化铝催化剂的作用, 氧在阳极上以分子形式 (O2)释放。碳在阴极上沉积在一种铁催化剂上------在这些条件下, 形成碳纳米管。同时, Li2O 与空气中的二氧化碳反应, 重新形成碳酸锂盐。

    这项研究主要集中在控制纳米管的生长上。所有的纳米管都在一个主题上变化, 有一个滚成一个圆筒的六角碳原子网。但是原子间的间距允许有不同直径的纳米管。它也有可能有一系列的同心管, 每个包裹在一个更小的一个上------这些被称为 "多壁的"。更小的直径和单壁的管通常是值更多的, 因此研究人员集中在采用熔融盐合成来生产最宝贵的纳米管。

不能控制的

    这项研究的要点是这是一个挑战。虽然铁基催化剂最初被均匀的在阴极的顶部分层, 高温允许它来回移动。因此, 它在电极表面形成了小的气泡, 气泡的大小取决于形成它们的层的厚度。这些气泡的大小反过来又帮助确定在它们上形成的纳米管的大小。因此, 获得小直径纳米管的最好方法是从使用一层非常薄的催化剂开始。

    问题是这种关系不长久保持的，如果反应快速的停止------在三分钟后------更多的直径狭窄的纳米管。但如果反应持续了半个小时, 直径就会逐渐升大。对电极的检查表明了随着时间的推移, 催化剂的扩散将它吸引到越来越大的气泡, 纳米管的直径也随之相应的增长。因此, 在构建催化剂方面还有一些工作要做。

    但作者做了一些建议这样做可能是值得的努力的计算,如果你弄清楚加热盐和驱动反应所需的电的成本, 它的成本是你能卖纳米管的一半。

    这并不是表明这意味着我们已经弄清了如何封存碳。纳米管的市场是相当小的, 因此即使我们用这种方法制造所有碳纳米管也不会在我们的大量排放上刻下一个凹痕。但这是当我们超越了典型的化学时一个很好的一些有趣的事情是可能的演示, 它暗示在更大的规模上做类似的事情可能是可能的。

Applied Materials and Interfaces, 2017. Dhttps://arstechnica.com/science/2018/05/process-takes-co-from-the-air-converts-it-to-carbon-nanotubes/OI: 10.1021/acsami.8b02834 (About DOIs).