“人工树叶”让二氧化碳变废为宝
2019-09-03来源:知识就是力量杂志
        2019年,我们如愿度过了有温度记录的140年以来最热的一个夏天。各种避暑神器轮番上阵,但终究挡不住这热浪滚滚。如果对此你感到有些绝望,那么有一个好消息是:如果保持现在的趋势不变,今年也许就是未来140年内最凉快的一个夏天。

       “全球变暖”已经得到国际的普遍共识。但到底为什么会出现这样的现象,还有诸多争议。不可否认的是,在气温上升的这一百多年里,人类工业革命蓬勃发展,并向空气中排放了大量温室气体二氧化碳,不排除是因为二氧化碳浓度的上升,让地球变得越来越热。


冰芯记录反演出的45万年以来大气二氧化碳浓度变化(红线)与温度变化(蓝线)
 
       人类工业化发展导致地球二氧化碳过量排放

       地球的生物圈处于很微妙的平衡之中。几乎所有的生物都会代谢出二氧化碳获取能量,当这些二氧化碳排放到空气中后,会成为植物光合作用的原料,转化为葡萄糖,并最终成为生物圈共同的能量来源。人类的工业化进程,伴随着煤炭、石油的燃烧过程,最终产物中含有大量二氧化碳。它们的分子结构,和生物呼吸产生的二氧化碳并没有什么区别,也可以作为光合作用的原料。

       数亿年来,地球上庞大的生物圈不断维持着平衡。当地球氧气含量过多时,就会催生出巨型的物种(比如恐龙),连同高发的山火,植物被自然地消耗,进而降低氧气浓度。反之,当地球二氧化碳浓度上升时,会促进植物生长得更茂盛,提高光合作用的效率,同时地壳也会吸收更多的二氧化碳形成碳酸盐岩石。

       我们有理由相信,伴随着二氧化碳浓度逐年攀升,地球会重新达到新的平衡,二氧化碳的浓度维持在稳定的水平,温度上升趋势将放缓。然而,这需要时间,而且会是很长的时间,对于人类发展来说,或许等不起。


科研数据显示:2019年5月的二氧化碳峰值创有记录以来新纪录414.8ppm
 
       科学新思路:人工促进二氧化碳吸收

       如今,地球二氧化碳的排放量巨大,如何加快对其的有效吸收和利用,已经成为全球各国科学家研究的重大课题。从理论上,有多种可实现的路径。二氧化碳的固定化,是如今非常热门的研究课题。最直接的一种方式,就是将二氧化碳转化为碳酸盐。自然界常见的石灰石就是一种碳酸盐,也就是碳酸钙,而海水和土壤中又有丰富的钙质,所以这似乎不难实现。然而,碳酸盐并不稳定,它们随时都可以重新释放出二氧化碳,所以,算不上是很彻底的二氧化碳固定化作用。因此,在这一过程的基础上,科学家又发展了二氧化碳的矿化固定工艺,借助于二氧化碳去处理炼钢的矿渣,回收其中的一些金属离子,比如钛、铝等元素,最终可以得到钛白粉等产品,而二氧化碳则转化成聚碳酸酯等产品,实现了有效固定。

       这种处理方法,目前来说已经具有工业化前景。天津大学的巩金龙教授团队经过三年多的研究,实现了利用太阳能、氢能等绿色能源,在温和条件下进行二氧化碳的高效转化,建立了新型的“光电催化二氧化碳还原”“二氧化碳加氢还原”途径,打通了从二氧化碳到液体燃料和高附加值化学品的绿色转化通道,实现了将二氧化碳还原为甲醇和其他碳氢燃料的新突破。在转化过程中,其含碳产物的产率高达92.6%,其中甲醇的选择性为53.6%,达到世界领先水平。目前可以做到每吨矿渣吸收200公斤的二氧化碳,效果十分显著。相关研究成果作为封面热点论文,在《德国应用化学》《能源与环境科学》等国际知名期刊上发表。

       实现“人工树叶”设想,目标“零排放”

       二氧化碳转化的难度在于,其分子结构极其稳定,转化需要注入很高的能量,且二氧化碳转化的路径复杂,转化后产物众多、纯度不佳。因此转化路径和催化剂的选择极其重要。巩教授团队是如何克服这些困难的呢?

       众所周知,植物的光合作用,是将二氧化碳转化成了各种含碳的有机物,特别是现代复合材料科技,都离不开有机高分子的贡献。一旦把二氧化碳转化为有机物,需要吸收大量的热量。这也不难理解,汽油燃烧释放出二氧化碳,整个过程会产生大量的热量。既然能量是守恒的,反过来,想让二氧化碳变成汽油这样的物质,自然就需要吸收大量的热量。

       植物从太阳光中吸收热量,才能实现这一作用——既然植物可以利用太阳能,那么我们是不是也可以借助于太阳光,实现“人工”的光合作用呢?这个过程并非想象中的这么简单。对于植物而言,叶绿体中发生的光合作用,其实是由很多物质共同参与完成的协同反应。叶绿素会吸收特定波长的太阳光,自身的电子随之移动,就像充电电池一样,将光能储存起来。与此同时,各类酶也在忙里忙外,它们有的负责搬运二氧化碳,有的负责促进反应。

       但是这些程序要想让人类来完成,就需要找到高效的催化剂才能完成。这些高效催化剂,不只是可以吸收太阳能,更要能够利用这些能量,让二氧化碳发生特定的反应。简单说,就是需要能够操控原子,让它们像树叶一样,按照人类的意愿实现“光合作用”。

       在研发过程中,巩金龙团队面临着来自美国和日本同行的激烈竞争。在这种压力和动力下,团队的科研人员每天都在和时间赛跑。巩金龙回忆说道:“虽然没仔细统计过,但是不夸张地说,我们进行了上万次实验,失败、总结、调整方案,而后再进行实验。那段时间几乎每天都这样周而复始循环地工作着。”可喜的是,在巩教授团队上万次的实验之下,距离奇迹的出现已经越来越近,二氧化碳变成有机物的转化率,高达90%以上。试想,若是有一天我们种下一棵棵长满“人工树叶”的苍天大树,那么我们亲手排放的那些二氧化碳,是否有可能又被我们亲手回收呢?
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