二氧化碳新思維

呂　靜

或許在未來，二氧化碳這種毀壞地球環境的氣體也能幫助我們戒掉對石油的依賴

二氧化碳(CO2)早已被戴上了邪惡分子的頭銜。它們源源不斷地從汽車排氣管和發電站煙囪噴出，是全球變暖的最大原因。因此，人們普遍將它當作一種壞東西。

可是，一組先驅研究人員卻愿意讓人們看到CO2作為一種有價值資源的另一面。他們研究出一種收集技術，可以回收那些可能污染大氣的CO2，利用其中的碳原子合成碳氫化合物(烴)，這些烴可用作汽車燃料，以及制造塑料的原料或其他化工原料——目前這些原料都是從原油中提取的。

這個想法其實很簡單。找到一種去掉CO2分子中一個氧原子的辦法，即可得到一氧化碳(CO)分子，不過，這僅僅是變成烴財富的一小步，下一步還要將CO與氫氣混合，再將這種混合氣體通過一種催化劑催化，才能變成液體的烴燃料。這種化學反應，叫做費-托法過程，是在上世紀20年代發明的。早在第二次世界大戰期間，當原油供應短缺的時候，德國人就曾經用汽化煤制造過汽油。在種族隔離的年代，當南非被制裁封鎖原油進口時，也曾這樣制造過液體燃料。

捕捉太陽能

要變有害的CO2為有用的CO，第一步的難處在于：找到一種價格上和能源上同時有效率的辦法。最簡單的途徑就是在2400℃左右加熱CO2，在這個溫度，CO2會自動地裂解為CO和氧氣。不過，困難的就是尋找到能夠做到這一點的能源。

很顯然, 太陽光是最合適做這種能源的候選者。在美國新墨西哥州的帕瓦奇，有一家叫做勞斯阿拉莫斯可再生能源(LARE)的公司，該公司已經建成了一個以CO2提供能源的小型原型反應器。在這個反應器中，CO2被投放到一個密閉在反應室中，反應室被固定在聚集太陽光的一個鏡面碟片的焦點上，聚集的太陽光通過反應室的小窗到達安裝在反應室內部一個用來收集熱量的陶瓷棒上。隨著進入氣體接觸到溫度升高為2400℃左右的陶瓷棒，二氧化碳分解為一氧化碳和氧氣。里德?詹森是LARE的主管，他透露，他們的一個更大的原型反應器即將在一年的時間內投入實驗，但是他沒有說明這個反應器到底有多大，能產生多少的一氧化碳。

美國新墨西哥州阿布奎基的圣地亞國家實驗室的內森?西格說：這種方法的缺點是操作溫度太高。圣地亞國家實驗室有一個競爭的研究小組也在從事這個方向的研究。高溫會導致很嚴重的熱損失，因此會減低效率。雖然太陽能是免費的，但建造這些產生和耐受高溫的設備是很昂貴的。所以，要想讓整個生產過程更經濟，就需要效率更高的操作。

正因為牢記住這一點，圣地亞小組正在開發一個與LARE抗衡的系統，叫做反向旋轉環狀接受反應蓄熱器(CR5)，這個系統的操作溫度沒有那么高。與LARE反應器一樣，這個系統也有聚集太陽光的聚能器碟，不過，高溫是在一組14個鈷鐵氧陶瓷環的一端產生的。這種陶瓷在加熱時，會從其分子晶格中釋放出氧，但不會破壞晶格的完整性。陽光通過一個窗子聚焦在反應室較熱的一側，將環加熱到1500℃，導致陶瓷的晶格釋放出氧原子。隨著環的旋轉，熱的部分漸漸轉到反應室的后面，這里溫度降到1100℃左右，在這個溫度下，當室內充滿CO2時，失去氧的陶瓷就會和CO2分子發生反應，為的是將其分子晶格中丟失的氧原子再奪回來，這樣一來，CO分子就產生了。隨著環的繼續旋轉，再氧化的部分又回到了反應室較熱的一端，于是，循環再次開始。

CR5最初是為了制氫而研究出的一種方法，不過，制氫利用的是冷卻室里的蒸汽而不是CO2，但是，這種方法的發明者里奇?戴弗估計，裂解CO2將需要一個更有效率的捕捉太陽能方式。想要燃燒利用在太陽能反應器中形成的一氧化碳，至少需要給出10%的能量來生產它。所以，在今年4月，戴弗和他的同事要用一個原型反應器來試驗他們的預測。他們已經計算出，這個裝置每小時能產生100噸的CO。

改良燃料電池

意大利墨西拿大學化工和材料工程系的加布里耶勒?山悌將這種用太陽能來轉化二氧化碳為碳基燃料的想法進一步發展了。不過，他不是制備CO，而是做出了更有用的東西——一種能夠產生像壬烷和乙烯等(目前多是從石油中提取的、制造塑料的重要化學原材料)烴分子的電化學電池。

山悌的電池可算是那種靠氫或甲醇和氧發生反應產生電力的燃料電池的遠親，不過，其化學反應是可逆的。在電池的一端有一種二氧化鈦作為催化劑，會促使接受光子的水分子裂解，產生氫離子和氧氣。當氫離子通過質子交換膜遷徙到裝有包含鉑納米管催化劑的電池另一端時，催化劑促使二氧化碳發生產生烴的化學反應。

目前，這些烴燃料電池所產生的能量尚不超過它們所接收到太陽能的1%。山悌說，這可能不算太高，但比植物通過光合作用獲得的能量轉化率高，而且人們還有改進催化劑的空間。

埃倫?斯泰切爾是圣地亞燃料能源轉化部門的經理，她估計，要讓足夠量的CR5工廠給一億輛家用汽車提供合成汽油，則需要大約有5800平方公里的土地。她說：“這個數字實際上并不是很大。”最近在美國西南部7個州所做的調查顯示，大約有135000平方公里的適用地都可以加以利用。斯泰切爾說：“這些土地別無他用。”

相反地，生物燃料卻要和糧食作物競爭土地資源。此外，斯泰切爾還稱，生物燃料中實際可獲得的太陽能比例更是少得驚人，如果你算上灌溉、收獲、運輸和加工等耗能過程，其太陽能的利用率只有0.1%。

為了充分利用可利用的土地，詹森建議將LARE的碳捕捉器與發電站聯合起來，這樣就能用上反應器本身的熱損耗。他估計這種聯合的裝置能將48%的太陽能轉化為可利用的能量。

隨著原油和天然氣越來越昂貴和短缺，石油化學公司對尋找可替換石油的新原材料的興趣越來越大。假如在價格上有競爭優勢，有一天，由工業廢氣二氧化碳制造的烴，也有可能用作生產塑料或其他產品。那么，這些碳將不再直接排放到大氣中，而是將在材料中固定若干年。到那個時候，二氧化碳分子的惡名也就被撥亂反正了。