辛辛那提大學化學工程專業的學生張天宇（音譯）拿著一小瓶石墨烯，這是將二氧化碳轉化為甲烷的催化劑。圖片來源：Andrew Higley
中美科學家合作開發出一種將溫室氣體轉化為燃料的新方法，他們的目標是以此應對氣候變化，并讓宇航員從火星返回地球。相關成果近日發表于《自然—通訊》。
上海大學納米化學與生物學研究所副研究員王亮、華東理工大學化學與分子工程學院特聘研究員練成和辛辛那提大學化學與環境工程學院的吳敬杰（音譯）課題組在反應器中使用一種碳催化劑，將二氧化碳轉化為甲烷。
這一過程被稱為“薩巴蒂爾反應”（以已故法國化學家保羅·薩巴蒂爾名字命名），國際空間站用來清除宇航員呼出空氣中的二氧化碳，并產生火箭燃料，使空間站保持在高軌道上。
但吳敬杰的心思要大得多。火星大氣層幾乎完全由二氧化碳組成。在他看來，宇航員一旦到達火星，就可以制造他們在火星上需要的東西，這樣可以節省一半返程所需的燃料。“這就像火星上的加油站，可以很容易地將二氧化碳泵入這個反應器，為火箭生產甲烷。”
吳敬杰的化學工程生涯始于研究電動汽車的燃料電池，但大約10年前，他開始研究二氧化碳轉化。“溫室氣體對社會的可持續發展是一個大問題，所以我們需要實現碳中和。”吳敬杰說。
一個實驗反應器使用石墨烯量子點作為催化劑，將二氧化碳轉化為甲烷。圖片來源：Andrew Higley
不同國家都制定了碳中和目標。“這意味著我們必須回收二氧化碳。”吳敬杰說，他和學生、論文第一作者、加州大學博士候選人張天宇正在實驗不同的催化劑，如石墨烯量子點——只有納米大小的碳層，可以增加甲烷的產量。
吳敬杰說，這一進程有望幫助緩解氣候變化。但它在副產品燃料生產方面也有很大的商業優勢。“與10年前相比，這個過程的生產力提高了100倍。所以你可以想象，進步會越來越快。”他說，“在未來10年里，會有很多初創公司將這項技術商業化。”
吳敬杰團隊不僅使用不同的催化劑來生產甲烷，還有乙烯。乙烯被稱為世界上最重要的化學物質，用于制造塑料、橡膠、合成服裝和其他產品。這一過程可高效地用于產生大量二氧化碳的發電廠和任何其他產生多余二氧化碳的地方。
“綠色能源將非常重要，未來它將代表一個巨大的市場。”吳敬杰說，當結合太陽能或風能等可再生能源時，用二氧化碳合成燃料在商業上變得更加可行。“現在我們有多余的綠色能源被丟掉，我們可以將這些多余的可再生能源儲存在化學品中。”
利用二氧化碳生產燃料的進步使吳敬杰對在有生之年看到人類踏上火星抱有信心。“現在，如果你想從火星回來，需要帶兩倍多的燃料，這非常重。”他說，“未來將需要其他燃料。我們可以從二氧化碳中生產甲醇并用它們來生產其他下游物質。也許有一天，我們可以在火星上生活。”
