辛辛那提大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生張?zhí)煊睿ㄒ糇g）拿著一小瓶石墨烯，這是將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷的催化劑。圖片來源：Andrew Higley
中美科學(xué)家合作開發(fā)出一種將溫室氣體轉(zhuǎn)化為燃料的新方法，他們的目標(biāo)是以此應(yīng)對氣候變化，并讓宇航員從火星返回地球。相關(guān)成果近日發(fā)表于《自然—通訊》。
上海大學(xué)納米化學(xué)與生物學(xué)研究所副研究員王亮、華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院特聘研究員練成和辛辛那提大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院的吳敬杰（音譯）課題組在反應(yīng)器中使用一種碳催化劑，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷。
這一過程被稱為“薩巴蒂爾反應(yīng)”（以已故法國化學(xué)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(chǎn)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(dá)火星，就可以制造他們在火星上需要的東西，這樣可以節(jié)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(gè)反應(yīng)器，為火箭生產(chǎn)甲烷。”
吳敬杰的化學(xué)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(zhuǎn)化。“溫室氣體對社會的可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)大問題，所以我們需要實(shí)現(xiàn)碳中和。”吳敬杰說。
一個(gè)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器使用石墨烯量子點(diǎn)作為催化劑，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷。圖片來源：Andrew Higley
不同國家都制定了碳中和目標(biāo)。“這意味著我們必須回收二氧化碳。”吳敬杰說，他和學(xué)生、論文第一作者、加州大學(xué)博士候選人張?zhí)煊钫趯?shí)驗(yàn)不同的催化劑，如石墨烯量子點(diǎn)——只有納米大小的碳層，可以增加甲烷的產(chǎn)量。
吳敬杰說，這一進(jìn)程有望幫助緩解氣候變化。但它在副產(chǎn)品燃料生產(chǎn)方面也有很大的商業(yè)優(yōu)勢。“與10年前相比，這個(gè)過程的生產(chǎn)力提高了100倍。所以你可以想象，進(jìn)步會越來越快。”他說，“在未來10年里，會有很多初創(chuàng)公司將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。”
吳敬杰團(tuán)隊(duì)不僅使用不同的催化劑來生產(chǎn)甲烷，還有乙烯。乙烯被稱為世界上最重要的化學(xué)物質(zhì)，用于制造塑料、橡膠、合成服裝和其他產(chǎn)品。這一過程可高效地用于產(chǎn)生大量二氧化碳的發(fā)電廠和任何其他產(chǎn)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(gè)巨大的市場。”吳敬杰說，當(dāng)結(jié)合太陽能或風(fēng)能等可再生能源時(shí)，用二氧化碳合成燃料在商業(yè)上變得更加可行。“現(xiàn)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(xué)品中。”
利用二氧化碳生產(chǎn)燃料的進(jìn)步使吳敬杰對在有生之年看到人類踏上火星抱有信心。“現(xiàn)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(chǎn)甲醇并用它們來生產(chǎn)其他下游物質(zhì)。也許有一天，我們可以在火星上生活。”
