藉助新的奈米顆粒，將來可以捕獲二氧化碳排放並將其轉化為燃料。圖片/CHRIS LEBOUTILLIER，PEXELS

想象一下一個未來派發電廠。該工廠沒有將排放二氧化碳到大氣中的煙囪，而是捕獲了所有二氧化碳，將其轉化為實際上可以為工廠供電的燃料：碳中性閉環。

南加州大學維特比工程學院的研究人員與美國能源部的國家可再生能源實驗室（NREL）合作，正在努力使這一目標更加接近現實。研究小組發現了一種金屬碳化物奈米粒子（碳和金屬的化合物），可以將CO2轉化為燃料。這是首次可以在低溫下持續生產的奈米顆粒。

過渡金屬碳化物（TMC）具有固有的多功能性和成分可調節特性，因此已被證明具有廣泛的催化應用潛力。但是，製備這些材料所需的苛刻條件限制了對其物理效能的合成控制範圍。開發用於製備TMC的低溫、無滲碳路線將釋放此類材料的多功能性，加深我們對它們的物理效能的了解，並使其能夠在工業規模上經濟高效地生產。

研究小組利用表面穩定配體和高沸點溶劑的存在下Mo(CO)6的熱分解來產生α-碳化鉬（α-MoC1–x）奈米粒子，這些奈米粒子具有膠體穩定性並且可以抵抗空氣中的大量氧化。

這意味著可以以低成本、最小的環境影響和以工業規模生產顆粒，為減少世界溫室氣體排放提供了重要途徑。

南加州大學維特比分校莫克家族化學工程和材料科學系教授諾亞·馬爾姆施塔特（Noah Malmstadt）與NREL的弗雷德裡克·巴杜爾（Frederick G. Baddour）和南加州大學化學教授理查德·布徹奇（Richard Brutchey）合作，他們的工作發表在《美國化學學會雜誌》上。

USC維特比大學化學工程和材料科學教授諾亞·馬爾姆施塔特（Noah Malmstadt）。

馬爾姆施塔特說，該專案的目的是捕獲來自煙道等排放源的碳排放，然後將其轉化為可用的燃料，而奈米顆粒則充當催化劑來促進反應。

“我們將二氧化碳從碳氧鍵轉變為碳氫鍵。因此，我們將二氧化碳重新轉化為碳氫化合物。”馬爾姆施塔特說。

碳氫化合物是基本燃料。您可以將它們轉變為化學燃料，例如甲烷或丙烷。或者，您也可以將它們用作化學合成的基礎原料，以便製造更復雜的化學物質。”

他說，碳氫化合物也是“原料”化學物質，有可能被用於製造其他碳基材料，因此碳排放量可以轉化為製造消費產品以及碳氫燃料的材料。

馬爾姆施塔特說，到現在為止，製造催化劑顆粒的過程都是非常耗能的，這使其成為轉換碳排放量的不切實際的解決方案。碳化物通過將其加熱到高於600℃的過程生成的，該過程使控制顆粒尺寸變得困難，這影響了它們作為催化劑的有效性。

他說，相比之下，研究小組的發現使用了微流體反應器工藝，這是一種規模很小的化學反應器系統，具有最小的環境足跡。這意味著可以在低至300℃的溫度下生產顆粒，從而產生更小、更均勻的顆粒，這使其成為將CO2轉化為碳氫化合物的理想選擇。

“我們使用綠色化學方法可持續地生產這些顆粒。”馬爾姆施塔特說。

他說：“化學反應器系統在小於一毫米的通道內執行，與傳統的反應器相比，具有許多優勢，特別是在製造非常均勻且品質很高的材料方面。”

馬爾姆施塔特說，所得的奈米粒子具有非常高的表面積品質比。

他說：“因此，對於催化劑中所含的金屬量，您將獲得更多可以進行化學反應的活性表面積。”

奈米顆粒催化劑（懸浮在左側瓶中的液體中）在漏斗中產生反應，將紅色和黑色的二氧化碳分子變成碳氫化合物（黑色和白色）。圖片/FREDERICK G.BADDOUR

馬爾姆施塔特說，可以將反應過程與超級計算機隨時間演變的方式進行比較。超級計算機安置在大型實驗室中，並需要巨大的記憶體和高能耗的冷卻系統。而當今的分散式或基於雲的超級計算機系統僅僅是並行執行並共享資源的標準計算機的網格。

馬爾姆施塔特說：“因此，採用這種方法來擴大化學生產規模將是相同的思路。與其使用大型化學反應器，不如使用一堆這樣的微流體反應器，而只需將它們並行執行即可。”

馬爾姆施塔特表示，與大規模化學反應器生產碳化物奈米顆粒相比，該工藝還可以節省大量成本。

“這為化學反應規模的擴充套件提供了一條簡便的途徑，並且從能源使用的可持續性以及生產這種材料的人員時數的角度來看，這些微流體途徑比傳統途徑要低得多製造化學藥品的方法。” 馬爾姆施塔特說。