或許在未來,，二氧化碳這種毀壞地球環(huán)境的氣體也能幫助我們戒掉對石油的依賴
二氧化碳(CO2)早已被戴上了邪惡分子的頭銜,。它們源源不斷地從汽車排氣管和發(fā)電站煙囪噴出,，是全球變暖的最大原因。因此，人們普遍將它當(dāng)作一種壞東西。
可是,，一組先驅(qū)研究人員卻愿意讓人們看到CO2作為一種有價值資源的另一面。他們研究出一種收集技術(shù),，可以回收那些可能污染大氣的CO2,，利用其中的碳原子合成碳?xì)浠衔?烴)，這些烴可用作汽車燃料,，以及制造塑料的原料或其他化工原料——目前這些原料都是從原油中提取的,。
這個想法其實(shí)很簡單。找到一種去掉CO2分子中一個氧原子的辦法,，即可得到一氧化碳(CO)分子,，不過，這僅僅是變成烴財富的一小步,，下一步還要將CO與氫氣混合,，再將這種混合氣體通過一種催化劑催化，才能變成液體的烴燃料,。這種化學(xué)反應(yīng),，叫做費(fèi)-托法過程，是在上世紀(jì)20年代發(fā)明的,。早在第二次世界大戰(zhàn)期間,，當(dāng)原油供應(yīng)短缺的時候，德國人就曾經(jīng)用汽化煤制造過汽油,。在種族隔離的年代，當(dāng)南非被制裁封鎖原油進(jìn)口時,，也曾這樣制造過液體燃料,。
捕捉太陽能
要變有害的CO2為有用的CO，第一步的難處在于：找到一種價格上和能源上同時有效率的辦法,。最簡單的途徑就是在2400℃左右加熱CO2,，在這個溫度，CO2會自動地裂解為CO和氧氣,。不過,，困難的就是尋找到能夠做到這一點(diǎn)的能源。
很顯然,太陽光是最合適做這種能源的候選者,。在美國新墨西哥州的帕瓦奇,，有一家叫做勞斯阿拉莫斯可再生能源(LARE)的公司，該公司已經(jīng)建成了一個以CO2提供能源的小型原型反應(yīng)器,。在這個反應(yīng)器中,，CO2被投放到一個密閉在反應(yīng)室中，反應(yīng)室被固定在聚集太陽光的一個鏡面碟片的焦點(diǎn)上,，聚集的太陽光通過反應(yīng)室的小窗到達(dá)安裝在反應(yīng)室內(nèi)部一個用來收集熱量的陶瓷棒上,。隨著進(jìn)入氣體接觸到溫度升高為2400℃左右的陶瓷棒,，二氧化碳分解為一氧化碳和氧氣。里德·詹森是LARE的主管,，他透露,，他們的一個更大的原型反應(yīng)器即將在一年的時間內(nèi)投入實(shí)驗(yàn)，但是他沒有說明這個反應(yīng)器到底有多大,，能產(chǎn)生多少的一氧化碳,。
美國新墨西哥州阿布奎基的圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)森·西格說：這種方法的缺點(diǎn)是操作溫度太高。圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室有一個競爭的研究小組也在從事這個方向的研究,。高溫會導(dǎo)致很嚴(yán)重的熱損失,，因此會減低效率。雖然太陽能是免費(fèi)的,，但建造這些產(chǎn)生和耐受高溫的設(shè)備是很昂貴的,。所以，要想讓整個生產(chǎn)過程更經(jīng)濟(jì),，就需要效率更高的操作,。
正因?yàn)槔斡涀∵@一點(diǎn)，圣地亞小組正在開發(fā)一個與LARE抗衡的系統(tǒng),，叫做反向旋轉(zhuǎn)環(huán)狀接受反應(yīng)蓄熱器(CR5),，這個系統(tǒng)的操作溫度沒有那么高。與LARE反應(yīng)器一樣,，這個系統(tǒng)也有聚集太陽光的聚能器碟,，不過，高溫是在一組14個鈷鐵氧陶瓷環(huán)的一端產(chǎn)生的,。這種陶瓷在加熱時,，會從其分子晶格中釋放出氧，但不會破壞晶格的完整性,。陽光通過一個窗子聚焦在反應(yīng)室較熱的一側(cè),，將環(huán)加熱到1500℃，導(dǎo)致陶瓷的晶格釋放出氧原子,。隨著環(huán)的旋轉(zhuǎn),，熱的部分漸漸轉(zhuǎn)到反應(yīng)室的后面，這里溫度降到1100℃左右,，在這個溫度下,，當(dāng)室內(nèi)充滿CO2時，失去氧的陶瓷就會和CO2分子發(fā)生反應(yīng),，為的是將其分子晶格中丟失的氧原子再奪回來,，這樣一來，CO分子就產(chǎn)生了。隨著環(huán)的繼續(xù)旋轉(zhuǎn),，再氧化的部分又回到了反應(yīng)室較熱的一端,，于是，循環(huán)再次開始,。
CR5最初是為了制氫而研究出的一種方法,，不過，制氫利用的是冷卻室里的蒸汽而不是CO2,，但是,，這種方法的發(fā)明者里奇·戴弗估計(jì)，裂解CO2將需要一個更有效率的捕捉太陽能方式,。想要燃燒利用在太陽能反應(yīng)器中形成的一氧化碳,，至少需要給出10%的能量來生產(chǎn)它。所以,，在今年4月,，戴弗和他的同事要用一個原型反應(yīng)器來試驗(yàn)他們的預(yù)測。他們已經(jīng)計(jì)算出,，這個裝置每小時能產(chǎn)生100噸的CO,。
改良燃料電池
意大利墨西拿大學(xué)化工和材料工程系的加布里耶勒·山悌將這種用太陽能來轉(zhuǎn)化二氧化碳為碳基燃料的想法進(jìn)一步發(fā)展了。不過,，他不是制備CO,，而是做出了更有用的東西——一種能夠產(chǎn)生像壬烷和乙烯等(目前多是從石油中提取的、制造塑料的重要化學(xué)原材料)烴分子的電化學(xué)電池,。
山悌的電池可算是那種靠氫或甲醇和氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電力的燃料電池的遠(yuǎn)親,，不過，其化學(xué)反應(yīng)是可逆的,。在電池的一端有一種二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎?，會促使接受光子的水分子裂解，產(chǎn)生氫離子和氧氣,。當(dāng)氫離子通過質(zhì)子交換膜遷徙到裝有包含鉑納米管催化劑的電池另一端時，催化劑促使二氧化碳發(fā)生產(chǎn)生烴的化學(xué)反應(yīng),。
目前,，這些烴燃料電池所產(chǎn)生的能量尚不超過它們所接收到太陽能的1%。山悌說,，這可能不算太高,，但比植物通過光合作用獲得的能量轉(zhuǎn)化率高，而且人們還有改進(jìn)催化劑的空間,。
埃倫·斯泰切爾是圣地亞燃料能源轉(zhuǎn)化部門的經(jīng)理,，她估計(jì)，要讓足夠量的CR5工廠給一億輛家用汽車提供合成汽油，則需要大約有5800平方公里的土地,。她說：“這個數(shù)字實(shí)際上并不是很大,。”最近在美國西南部7個州所做的調(diào)查顯示，大約有135000平方公里的適用地都可以加以利用,。斯泰切爾說：“這些土地別無他用,。”
相反地，生物燃料卻要和糧食作物競爭土地資源,。此外,，斯泰切爾還稱，生物燃料中實(shí)際可獲得的太陽能比例更是少得驚人,，如果你算上灌溉,、收獲、運(yùn)輸和加工等耗能過程,，其太陽能的利用率只有0.1%,。
為了充分利用可利用的土地，詹森建議將LARE的碳捕捉器與發(fā)電站聯(lián)合起來,，這樣就能用上反應(yīng)器本身的熱損耗,。他估計(jì)這種聯(lián)合的裝置能將48%的太陽能轉(zhuǎn)化為可利用的能量。
隨著原油和天然氣越來越昂貴和短缺,，石油化學(xué)公司對尋找可替換石油的新原材料的興趣越來越大,。假如在價格上有競爭優(yōu)勢，有一天,，由工業(yè)廢氣二氧化碳制造的烴,，也有可能用作生產(chǎn)塑料或其他產(chǎn)品。那么,，這些碳將不再直接排放到大氣中,，而是將在材料中固定若干年。到那個時候,，二氧化碳分子的惡名也就被撥亂反正了,。
