随着气候问题的日益严峻和人类对于环保概念的愈加重视，如何从源头减少二氧化碳排放和降低大气中二氧化碳的含量已经成为科学界重点研究方向。开展大规模产业化二氧化碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage，简称 CCUS)技术示范应用，可为碳减排目标的实现提供重要支撑，对服务国家战略和经济社会绿色发展意义重大。
近日，美国能源部(DOE)宣布，其布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)和哥伦比亚大学(Columbia University)研究人员联合开发了一种耦合电化学和热化学反应的新策略，能将强效温室气体二氧化碳(CO 2)转化为碳纳米纤维，这种材料具有广泛的独特性能和许多潜在的长期用途。相关研究成果于近日发表在《自然-催化》(Nature Catalysis)期刊。
新方法可在相对较低的温度和环境压力下进行，成功地将碳锁定在固体形态的物质中，以抵消碳排放甚至实现负碳排放。“你可以把碳纳米纤维放入水泥中来增强水泥。”论文通讯作者之一、哥伦比亚大学化学工程教授陈景光(音)介绍，“这将把碳锁在混凝土中50年，甚至更长时间。”此外，该工艺还生产氢气(H2)，这是一种很有前途的替代燃料，使用时可实现零排放。
新工作的特别之处在于，试图将CO2转化为具有附加值且坚实的固体碳材料。这种固体碳材料含有尺寸为十亿分之一米的碳纳米管和纳米纤维，具有许多吸引人的特性，包括强度、导热性和导电性。但是，从CO2中提取碳并使其组成精细的结构并不是一件简单的事情。
为了发现这些催化剂如何运作的细节，研究人员进行了广泛的实验。其中包括计算建模研究、布鲁克海文实验室国家同步加速器光源II(NSLS-II)的物理和化学表征研究——使用快速X射线吸收和散射(QAS)和内壳层光谱(ISS)束线，以及电子显微镜设施的微观成像。
同时，研究人员开发了串联两步法。该方法将反应分解为多个阶段，用两种不同类型的催化剂，使分子更容易聚集在一起并作出反应。团队首先用一种由碳负载的钯制成的电催化剂，将CO2和水分解成一氧化碳和氢气。接着团队转向了一种由铁钴合金制成的热活化催化剂。它在400℃左右的温度下工作，比直接将CO2转化为碳纳米纤维所需的温度要温和得多。通过电催化和热催化的耦合，团队使用这种串联过程实现了单独使用任何一个过程都无法实现的目标。
研究人员称，这种催化剂回收的便利性、催化剂的商业可用性以及第二反应相对温和的反应条件，有助于降低与该过程相关的能源成本。如果这些过程由可再生能源驱动，其结果将是真正的负碳排放，可为缓解CO2的排放效应开辟新途径。
