将二氧化碳转变为有价值的原料

科学家们正在尝试在不消耗太多能源的情况下，将人类排放的二氧化碳转变为有价值的原料。

全世界每年要向大气排放数百亿吨的二氧化碳，这些二氧化碳主要来自发电厂煤炭和天然气的燃烧、化肥和水泥的制造及其它工业过程。美国康奈尔大学化学工程师林登·阿切尔说，如果化学家能够捕获这些二氧化碳并将其转变为其它产品的化学原料，那么“二氧化碳将不再是一种令人麻烦的物质，而是一种礼物了”。

多年来，科学家们一直试图储存从发电厂和其它排放源排放的二氧化碳，然后将它们注入到地下深处。然而，如果没有大量补贴，这种昂贵的储存方式在经济上难以持续。向老旧油井中注入二氧化碳以开采出更多的石油也是一种应用方法，但这还不够，考虑到油价经常波动，难以预测是否能带来利润。提倡利用而不是储存二氧化碳的科学家希望从废物中创造有价值的东西来获得利润，最有可能的应用是将二氧化碳用作制造化学产品的原材料，而这也可以通过使用更环保的产品来取代石油化工产品而对环境有利。

但这些倡导者面临着一个棘手的化学难题，即二氧化碳是一种稳定的分子，其化学键中储存的能量并不多。如果要利用二氧化碳，必须通过加热使其增加能量，而加热又需消耗电力，大部分电力来自燃煤或天然气发电厂，而这些发电厂又会向大气中排放更多的二氧化碳，甚至比捕获到的还更多。

工程师、化学家和其他研究人员表示，新技术正在改变这种局面。美国Xprize 基金会、能源与环境组资深科学家保罗·邦杰倡议，为提出解决方案者颁发一个大奖以激励多样化的技术团队。该基金会不久前宣布，有40多个团队正在竞争一项2 000 万美元的大奖，这个名为Carbon XPrize 的大奖赛结果将在2020 年年底前宣布。获奖者需将最多的二氧化碳转化为净价值最高的产品。一些团队的目标是制造聚合物、或替代汽油的燃料、或工业化学品。

从长远看，所有能利用二氧化碳生产一种或另一种化学品的公司都可能构成一个碳利用行业，从而产生重大影响。保罗·邦杰说，像气候变化这样大规模的问题需要多种解决方案。

“现在的问题是，化学领域的研究人员如何创造新的反应及新的机制来利用二氧化碳作为原料”，美国康奈尔大学林登·阿切尔说，他也是Carbon XPrize 大奖赛咨询委员会成员，在美国《科学进展》杂志上，他提供了一个方案：一种能发电、同时可将二氧化碳转化为一种商用化学品的燃料电池。

阿切尔和他的学生建造了一个原型反应器，该反应器能将二氧化碳、铝和氧气结合起来生产草酸盐。草酸盐可用于制造酸、除锈剂、织物染料及其它工业化学品。

阿切尔很清楚将二氧化碳转变为有价值的原料存在的问题。他设计的燃料电池依靠铝和空气工作：在电池内部，氧气与一个铝制成的电极发生反应，形成高活性的铝氧化物，铝氧化物再和较为惰性的二氧化碳反应，这两个反应生成了草酸铝。阿切尔说，燃料电池从这些化学反应中捕获一些能量，虽然需要一定的电压来驱动，但这个过程产生的电能比消耗的要多。因为金属会被消耗掉，所以选择合适的金属非常关键。阿切尔选择了铝，这是因为铝资源丰富且价格便宜。尽管生产铝的过程会排放二氧化碳，但阿切尔希望他设计的这个系统可收集足够多的二氧化碳来生成草酸盐，以减少排放的二氧化碳。

康奈尔大学研究小组表示，他们并不完全了解这种燃料电池其中的化学反应，如早期的燃料电池使用了一种叫做离子液体的昂贵材料作为电解质。阿切尔指出，如果离子液体起到了关键作用，且不能被取代的话，那么这项技术可能就不可行。

目前，美国有许多公司正在开展对二氧化碳的有效利用。如设在得克萨斯州圣安东尼奥的Skyonic 公司的试验工厂收集水泥厂排放的废气，并将其转化为石灰石和酸；Solidia Technologies 公司将二氧化碳压缩进混凝土中；其它一些处于不同阶段的公司也在致力于利用二氧化碳生产塑料、替代燃料和化学原料等。

但美国麻省理工学院能源计划高级研究工程师、储存二氧化碳的支持者霍华德·赫尔佐格对此有不同的看法。他指出，许多承诺利用二氧化碳的项目看起来好得令人难以置信，他说：“二氧化碳是能源的消耗，如果不在产品的生命周期中投入更多的能源，想利用二氧化碳生产化学品或能源产品都是极其困难的。热力学告诉我们，难以在能源方面获胜”。

尽管赫尔佐格承认其中一些公司也许能盈利，但他对利用二氧化碳可能对环境产生重大影响的潜力表示怀疑。作为2005 年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）二氧化碳搜集和储存的特别报告的主要作者，赫尔佐格认为报告中关于利用二氧化碳的结论仍然是成立的，即减少全球排放量的可能性很小，即使利用二氧化碳来生产所有的产品，也无法吸收所有二氧化碳的排放量。

肯德拉·库尔女士是美国加利福尼亚州伯克利市Opus12 创业公司的联合创始人，她清楚地知道，二氧化碳的利用并不能完全解决全世界的排放问题。Opus12 公司正在开发一种电化学反应器，它使用新型催化剂和可再生电力将二氧化碳转化为聚合物原料和其它化学物质。库尔女士说，Opus12 公司将参与Carbon XPrize 大奖赛的竞争。她说，尽管目前对二氧化碳的利用难以消耗大量的二氧化碳排放量，但考虑到继续开采化石燃料以满足石油化工行业带来的环境后果，尝试利用二氧化碳仍然是值得的。