二氧化碳排放和塑料垃圾是當今世界面臨的兩個最緊迫的環(huán)境問題。
(相關資料圖)
目前大氣中的二氧化碳含量比工業(yè)時代之前高出50%。與此同時,過去50年來,塑料產(chǎn)量激增,據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的統(tǒng)計,全世界每年生產(chǎn)超過4億噸塑料,而其中的一半只作一次性用途。而在這部分里,只有不到10%被回收。
近日,英國劍橋大學(University of Cambridge)的研究人員展示了如何從工業(yè)過程中甚至直接從空氣中捕獲二氧化碳,并僅利用太陽的能量將其轉化為清潔、可持續(xù)的燃料,這可能有助于同時解決這兩個問題。
據(jù)悉,他們開發(fā)了一種太陽能反應堆,可將捕獲的CO2和塑料廢物轉化為可持續(xù)燃料和其他有價值的化學產(chǎn)品。在測試中,CO2被轉化為合成氣,這是可持續(xù)液體燃料的關鍵組成部分;塑料瓶則被轉化為廣泛用于化妝品行業(yè)的乙醇酸。
“我們不僅對脫碳感興趣,而且對去化石燃料感興趣——我們需要完全消除化石燃料,以創(chuàng)建真正的循環(huán)經(jīng)濟,”研究人員歐文*賴斯納(Erwin Reisner)教授說。“從中期來看,這項技術可以通過從工業(yè)中捕獲碳并將其轉化為有用的東西來幫助減少碳排放,但最終,我們需要完全消除化石燃料并從空氣中捕獲CO2。”
他們的最新研究成果已于近期發(fā)表在了《焦耳》雜志上。
來源:Joule
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太陽能反應堆如何變廢為寶?
迄今為止,太陽能驅動的實驗使用了來自鋼瓶的純凈、濃縮的CO2,但為了使該技術能夠實際使用,它需要能夠主動從工業(yè)過程中或直接從空氣中捕獲CO2。然而,由于CO2只是空氣中眾多分子中的一種,因此開發(fā)一種足夠靈敏的技術來轉化非常稀薄的CO2是一項重大的技術挑戰(zhàn)。
劍橋團隊在六個月前已經(jīng)公布了太陽能反應堆的一個版本。它由兩個隔間組成,一個處理二氧化碳,另一個處理塑料廢物,整個裝置由鈣鈦礦太陽能電池供電。在此基礎上,研究人員進行了優(yōu)化調(diào)整,使其能夠處理工業(yè)廢氣,甚至只是環(huán)境空氣。
首先,空氣被泵入含有堿性溶液的系統(tǒng)中,二氧化碳被選擇性地保留下來,而其他氣體,如氧氣和氮氣,則會以氣泡的形式無害地逸出。然后,研究人員利用這種冒泡技術(bubbling technique)將空氣中的二氧化碳集中在溶液中,使其更容易處理。
與先前的版本相同,該集成系統(tǒng)包含光電陰極和陽極。該系統(tǒng)有兩個隔室:一側是捕獲的CO2溶液,該溶液被轉化為合成氣(一種簡單的燃料)。另一方面,塑料僅利用陽光即可轉化為有用的化學物質(zhì)。
來源:Ariffin Mohamad Annuar
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未來發(fā)展
在實驗演示中,研究人員演示了從煙道氣或空氣中捕獲CO2并利用太陽照射將其直接轉化為合成氣,而無需任何外部施加電壓。
該系統(tǒng)用胺/氫氧化物溶液捕獲CO2并通過光電化學將其轉化為合成氣,使用含有固定化分子鈷酞菁催化劑的鈣鈦礦基光電陰極。在陽極,塑料衍生的乙二醇在Cu26Pd74合金催化劑的作用下被氧化成乙醇酸。
整個過程使用煙氣或空氣作為碳源,廢棄塑料廢物作為電子供體,陽光作為唯一的能量輸入。
圖說:研究團隊成員:歐文*賴斯納、薩揚*卡爾、莫蒂亞爾*拉哈曼(從左至右)
來源:Ariffin Mohamad Annuar
該研究第一作者之一莫蒂亞爾*拉哈曼(Motiar Rahaman)博士說,“塑料成分是這個系統(tǒng)的一個重要技巧。從空氣中捕獲和利用CO2使化學反應變得更加困難。但是,如果我們向系統(tǒng)中加入塑料垃圾,塑料就會給CO2提供電子。塑料分解成廣泛用于化妝品行業(yè)的乙醇酸,CO2轉化為合成氣,這是一種燃料?!?/p>
共同第一作者薩揚*卡爾(Sayan Kar)博士指出:“這個太陽能系統(tǒng)吸收兩種有害的廢物——塑料和碳排放——并將它們轉化為真正有用的東西。我們可以有效地從空氣中提取CO 2并從中制造有用的東西,這一事實很特別??吹轿覀儗嶋H上僅利用陽光就能做到這一點,真是令人欣慰。”
科學家們目前正在開發(fā)一種效率和實用性更高的臺式演示設備,并表示他們正在考慮使用具有更高開路電壓的太陽能電池。他們還希望調(diào)整反氧化作用,并驅動其他生物質(zhì)、紡織品或化學廢料的氧化。
研究人員總結道:“經(jīng)過充分改進,這種概念驗證的太陽能驅動的CO2捕獲和利用系統(tǒng)可能有望用于未來分散式離網(wǎng)可擴展太陽能燃料和化學合成技術?!边@一技術為未來碳中和甚至負太陽能燃料和廢物升級回收技術開辟了新途徑。
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