據(jù)外媒報道,過多的二氧化碳排放是導致氣候變化的主要原因,因此降低地球大氣中的二氧化碳含量是限制不利環(huán)境影響的關(guān)鍵。研究人員認為,與其僅僅捕捉和儲存二氧化碳,不如將其作為燃料生產(chǎn)的碳原料,以實現(xiàn)“凈零排放能源系統(tǒng)”的目標。在環(huán)境條件下,僅僅利用水作為氫源,將二氧化碳(來自燃料氣或直接來自空氣)捕獲并轉(zhuǎn)化為甲烷和甲醇,將為降低過高的二氧化碳含量提供一個最佳解決方案,而且具有很強的可持續(xù)性。
孟買塔塔基礎(chǔ)研究所(TIFR)的研究人員展示了利用鎂在常溫常壓下直接使二氧化碳與水反應,形成甲烷、甲醇和甲酸的方法,而不需要外部能源。鎂是地殼中第八大豐富元素,也是地球上第四大常見元素(僅次于鐵、氧、硅)。
在300開氏度(26.85攝氏度)和1 bar的條件下,二氧化碳的轉(zhuǎn)化在幾分鐘內(nèi)進行。鎂、堿式碳酸鎂、二氧化碳和水的獨特合作作用使這一轉(zhuǎn)化過程得以實現(xiàn)。如果缺少這四種成分中的任何一種,就不會發(fā)生二氧化碳的轉(zhuǎn)化。通過13 CO 2同位素標記、粉末X射線衍射法(PXRD)、核磁共振(NMR)和傅里葉變換衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR)鑒定了反應中間體和反應途徑,并通過密度泛函理論(DFT)計算進行了合理化分析。在二氧化碳轉(zhuǎn)化過程中,鎂被轉(zhuǎn)化為氫氧化鎂和碳酸鎂,可進行再生。
鎂是生產(chǎn)能量需求最低的金屬之一,在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳量最少。利用該方案,1千克鎂通過與水和二氧化碳的簡單反應,可產(chǎn)生2.43升甲烷、940升氫氣和3.85千克堿性碳酸鎂(用于綠色水泥、制藥工業(yè)等),還可產(chǎn)生少量甲醇、甲酸。
在沒有二氧化碳的情況下,鎂與水的反應效率不高,氫氣產(chǎn)量極低,為100μmol g-1,而在二氧化碳存在的情況下為42000μmol g-1。這是由于鎂與水反應形成的氫氧化鎂溶解度差,限制了鎂內(nèi)部表面與水進一步反應。然而,在二氧化碳的存在下,氫氧化鎂得到轉(zhuǎn)化為碳酸鹽和堿性碳酸鹽,比氫氧化鎂更易溶于水,并從鎂中剝離出來,使新的鎂表面與水反應。因此,這個方法甚至可以用來生產(chǎn)氫氣(每千克鎂生產(chǎn)940升),這比單純的鎂與水反應產(chǎn)生的氫氣(每千克鎂生產(chǎn)2.24升)多出近420倍。
值得注意的是,這整個生產(chǎn)過程只需15分鐘,在室溫和常壓下,在異常簡單和安全的協(xié)議中發(fā)生。與其他金屬粉末不同的是,鎂粉末非常穩(wěn)定(由于存在薄薄的氧化鎂鈍化表面層),可以在空氣中處理而不損失任何活性?;剂系氖褂眯枰幌拗疲ㄈ绻荒鼙苊猓?,以應對氣候變化。這個鎂協(xié)議就會成為可持續(xù)的二氧化碳轉(zhuǎn)換協(xié)議之一,用于生產(chǎn)各種化學品和燃料(甲烷、甲醇、甲酸和氫氣)的二氧化碳中性過程。
火星的環(huán)境中有95.32%的二氧化碳,而火星表面的水是以冰的形式存在的。最近,還報道了火星上存在大量的鎂。因此,為了探索這種鎂輔助二氧化碳轉(zhuǎn)化過程在火星上使用的可能性,研究人員在較低溫度下進行了這種鎂輔助二氧化碳轉(zhuǎn)化。值得注意的是,甲烷、甲醇、甲酸和氫氣的生成量都很合理。這些結(jié)果表明,這種鎂工藝有可能在火星環(huán)境中使用,這是火星上鎂利用的一步,不過還需要更詳細的研究。