科學家展示利用鎂在常溫常壓下使二氧化碳與水反應 形成甲烷/甲醇的方法

據外媒報道,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境影響的關鍵。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的碳原料,以實現「淨零排放能源系統」的目標。在環境條件下,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)捕獲並轉化為甲烷和甲醇,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性。

科學家展示利用鎂在常溫常壓下使二氧化碳與水反應 形成甲烷/甲醇的方法

孟買塔塔基礎研究所(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(僅次於鐵、氧、硅)。

在300開氏度(26.85攝氏度)和1 bar的條件下,二氧化碳的轉化在幾分鍾內進行。鎂、鹼式碳酸鎂、二氧化碳和水的獨特合作作用使這一轉化過程得以實現。如果缺少這四種成分中的任何一種,就不會發生二氧化碳的轉化。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,並通過密度泛函理論(DFT)計算進行了合理化分析。在二氧化碳轉化過程中,鎂被轉化為氫氧化鎂和碳酸鎂,可進行再生。

鎂是生產能量需求最低的金屬之一,在生產過程中產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,可產生2.43升甲烷、940升氫氣和3.85千克鹼性碳酸鎂(用於綠色水泥、制藥工業等),還可產生少量甲醇、甲酸。

科學家展示利用鎂在常溫常壓下使二氧化碳與水反應 形成甲烷/甲醇的方法

在沒有二氧化碳的情況下,鎂與水的反應效率不高,氫氣產量極低,為100μmol g-1,而在二氧化碳存在的情況下為42000μmol g-1。這是由於鎂與水反應形成的氫氧化鎂溶解度差,限制了鎂內部表面與水進一步反應。然而,在二氧化碳的存在下,氫氧化鎂得到轉化為碳酸鹽和鹼性碳酸鹽,比氫氧化鎂更易溶於水,並從鎂中剝離出來,使新的鎂表面與水反應。因此,這個方法甚至可以用來生產氫氣(每千克鎂生產940升),這比單純的鎂與水反應產生的氫氣(每千克鎂生產2.24升)多出近420倍。

值得注意的是,這整個生產過程只需15分鍾,在室溫和常壓下,在異常簡單和安全的協議中發生。與其他金屬粉末不同的是,鎂粉末非常穩定(由於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。化石燃料的使用需要被限制(如果不能避免),以應對氣候變化。這個鎂協議就會成為可持續的二氧化碳轉換協議之一,用於生產各種化學品和燃料(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。這些結果表明,這種鎂工藝有可能在火星環境中使用,這是火星上鎂利用的一步,不過還需要更詳細的研究。

來源:cnBeta