將二氧化碳轉變為有價值的原料

科學家們正在嘗試在不消耗太多能源的情況下，將人類排放的二氧化碳轉變為有價值的原料。

全世界每年要向大氣排放數百億噸的二氧化碳，這些二氧化碳主要來自發電廠煤炭和天然氣的燃燒、化肥和水泥的制造及其它工業過程。美國康奈爾大學化學工程師林登·阿切爾說，如果化學家能夠捕獲這些二氧化碳并將其轉變為其它產品的化學原料，那么“二氧化碳將不再是一種令人麻煩的物質，而是一種禮物了”。

多年來，科學家們一直試圖儲存從發電廠和其它排放源排放的二氧化碳，然后將它們注入到地下深處。然而，如果沒有大量補貼，這種昂貴的儲存方式在經濟上難以持續。向老舊油井中注入二氧化碳以開采出更多的石油也是一種應用方法，但這還不夠，考慮到油價經常波動，難以預測是否能帶來利潤。提倡利用而不是儲存二氧化碳的科學家希望從廢物中創造有價值的東西來獲得利潤，最有可能的應用是將二氧化碳用作制造化學產品的原材料，而這也可以通過使用更環保的產品來取代石油化工產品而對環境有利。

但這些倡導者面臨著一個棘手的化學難題，即二氧化碳是一種穩定的分子，其化學鍵中儲存的能量并不多。如果要利用二氧化碳，必須通過加熱使其增加能量，而加熱又需消耗電力，大部分電力來自燃煤或天然氣發電廠，而這些發電廠又會向大氣中排放更多的二氧化碳，甚至比捕獲到的還更多。

工程師、化學家和其他研究人員表示，新技術正在改變這種局面。美國Xprize 基金會、能源與環境組資深科學家保羅·邦杰倡議，為提出解決方案者頒發一個大獎以激勵多樣化的技術團隊。該基金會不久前宣布，有40多個團隊正在競爭一項2 000 萬美元的大獎，這個名為Carbon XPrize 的大獎賽結果將在2020 年年底前宣布。獲獎者需將最多的二氧化碳轉化為凈價值最高的產品。一些團隊的目標是制造聚合物、或替代汽油的燃料、或工業化學品。

從長遠看，所有能利用二氧化碳生產一種或另一種化學品的公司都可能構成一個碳利用行業，從而產生重大影響。保羅·邦杰說，像氣候變化這樣大規模的問題需要多種解決方案。

“現在的問題是，化學領域的研究人員如何創造新的反應及新的機制來利用二氧化碳作為原料”，美國康奈爾大學林登·阿切爾說，他也是Carbon XPrize 大獎賽咨詢委員會成員，在美國《科學進展》雜志上，他提供了一個方案：一種能發電、同時可將二氧化碳轉化為一種商用化學品的燃料電池。

阿切爾和他的學生建造了一個原型反應器，該反應器能將二氧化碳、鋁和氧氣結合起來生產草酸鹽。草酸鹽可用于制造酸、除銹劑、織物染料及其它工業化學品。

阿切爾很清楚將二氧化碳轉變為有價值的原料存在的問題。他設計的燃料電池依靠鋁和空氣工作：在電池內部，氧氣與一個鋁制成的電極發生反應，形成高活性的鋁氧化物，鋁氧化物再和較為惰性的二氧化碳反應，這兩個反應生成了草酸鋁。阿切爾說，燃料電池從這些化學反應中捕獲一些能量，雖然需要一定的電壓來驅動，但這個過程產生的電能比消耗的要多。因為金屬會被消耗掉，所以選擇合適的金屬非常關鍵。阿切爾選擇了鋁，這是因為鋁資源豐富且價格便宜。盡管生產鋁的過程會排放二氧化碳，但阿切爾希望他設計的這個系統可收集足夠多的二氧化碳來生成草酸鹽，以減少排放的二氧化碳。

康奈爾大學研究小組表示，他們并不完全了解這種燃料電池其中的化學反應，如早期的燃料電池使用了一種叫做離子液體的昂貴材料作為電解質。阿切爾指出，如果離子液體起到了關鍵作用，且不能被取代的話，那么這項技術可能就不可行。

目前，美國有許多公司正在開展對二氧化碳的有效利用。如設在得克薩斯州圣安東尼奧的Skyonic 公司的試驗工廠收集水泥廠排放的廢氣，并將其轉化為石灰石和酸；Solidia Technologies 公司將二氧化碳壓縮進混凝土中；其它一些處于不同階段的公司也在致力于利用二氧化碳生產塑料、替代燃料和化學原料等。

但美國麻省理工學院能源計劃高級研究工程師、儲存二氧化碳的支持者霍華德·赫爾佐格對此有不同的看法。他指出，許多承諾利用二氧化碳的項目看起來好得令人難以置信，他說：“二氧化碳是能源的消耗，如果不在產品的生命周期中投入更多的能源，想利用二氧化碳生產化學品或能源產品都是極其困難的。熱力學告訴我們，難以在能源方面獲勝”。

盡管赫爾佐格承認其中一些公司也許能盈利，但他對利用二氧化碳可能對環境產生重大影響的潛力表示懷疑。作為2005 年聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）二氧化碳搜集和儲存的特別報告的主要作者，赫爾佐格認為報告中關于利用二氧化碳的結論仍然是成立的，即減少全球排放量的可能性很小，即使利用二氧化碳來生產所有的產品，也無法吸收所有二氧化碳的排放量。

肯德拉·庫爾女士是美國加利福尼亞州伯克利市Opus12 創業公司的聯合創始人，她清楚地知道，二氧化碳的利用并不能完全解決全世界的排放問題。Opus12 公司正在開發一種電化學反應器，它使用新型催化劑和可再生電力將二氧化碳轉化為聚合物原料和其它化學物質。庫爾女士說，Opus12 公司將參與Carbon XPrize 大獎賽的競爭。她說，盡管目前對二氧化碳的利用難以消耗大量的二氧化碳排放量，但考慮到繼續開采化石燃料以滿足石油化工行業帶來的環境后果，嘗試利用二氧化碳仍然是值得的。