從大氣中提取二氧化碳並將其轉化為有價值的化學物質和燃料的技術

從大氣中提取二氧化碳並將其轉化為有價值的化學物質和燃料的技術

燃燒煤炭和天然氣等化石燃料將碳以二氧化碳的形式釋放到大氣中，而生產甲醇和其他有價值的燃料和化學品則需要碳的供應。目前還沒有經濟或節能的方法來從大氣中收集二氧化碳並利用其生產碳基化學品，但匹茲堡大學斯旺森工程學院的研究人員剛剛在這方面邁出了重要的一步。

該小組與一種被稱為金屬-有機框架或「MOFs」的納米材料合作，這種材料可用於將大氣中的二氧化碳與氫原子結合，將其轉化為有價值的化學物質和燃料。「我們的最終目標是找到一種低能耗、低成本的MOF，能夠將二氧化碳從混合氣體中分離出來，並使之與氫反應，」約翰遜博士說。「我們發現MOF可以使二氧化碳分子輕微彎曲，使它們更容易與氫反應。」

約翰遜研究小組在皇家化學學會期刊《催化科學與技術》上發表了他們的發現。《華爾街日報》在封面上刊登了他們的研究成果，展示了二氧化碳和氫分子進入MOF並以CH2O2或甲酸(甲醇的化學前體)的形式離開的過程。要使這一過程發生，分子必須克服一個要求很高的能量閾值，即氫化勢壘。約翰遜博士解釋說:「氫化勢壘是向二氧化碳中添加兩個H原子所需要的能量，而這兩個H原子將把這些分子轉化成甲酸。換句話說，這是把H原子和二氧化碳分子結合起來形成新化合物所需要的能量。在我們之前的工作中，我們已經能夠通過分裂兩個H原子來激活H2，但是直到現在我們還不能激活CO2。

降低氫化障礙的關鍵是確定一種能夠預激活二氧化碳的MOF。預激活是通過將分子放入正確的幾何形狀，正確的位置，或者正確的電子狀態來為化學反應做準備。在他們的工作中建模的MOF通過將其放入一個稍微彎曲的幾何形狀中以較低的勢壘接受進入的氫原子，從而實現了CO2的預激活。

這個新MOF的另一個關鍵特性是它與二氧化碳上的氫分子有選擇性的反應，這樣活性位點就不會被二氧化碳阻斷。「我們設計了一個MOF，它的結合位點周圍的空間有限，因此沒有足夠的空間來結合二氧化碳，但仍然有足夠的空間來結合H2，因為它比H2小得多。」我們的設計確保了二氧化碳不會與MOF結合，而是可以自由地與框架內已經存在的H分子反應。

約翰遜博士認為，完善一種既能捕獲二氧化碳又能將其轉化為二氧化碳的單一材料在經濟上是可行的，可以減少大氣中二氧化碳的凈含量。「你可以從發電廠的煙氣中或者直接從大氣中捕獲二氧化碳，」他說。「這項研究縮小了我們尋找稀有物質的範圍，使我們能夠將一種假設的技術轉化為對世界的真正益處。」

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