創新二氧化碳捕集與轉化技術：單原子鎳催化劑如何推動碳中和目標實現
圖靈學院
科楠
2024-11-29
近期發表於《Journal of the American Chemical Society》（JACS）的研究文章 〈Integrated Carbon Dioxide Capture by Amines and Conversion to Methane on Single-Atom Nickel Catalysts〉，由來自美國俄亥俄州立大學、耶魯大學、巴西聖保羅大學以及中國南方科技大學等多所國際頂尖研究機構的團隊聯合完成。該研究提出了一種結合CO₂捕集與高效轉化的創新技術，通過單原子鎳催化劑將捕集的CO₂轉化為甲烷，為二氧化碳捕集與利用（CCU）領域提供了全新的技術路徑，並為未來清潔能源的發展提供了深遠的啟發。
隨著全球對氣候變遷的關注加劇，二氧化碳（CO₂）捕集與利用（CCU）技術成為一個重要的研究領域。本文將介紹一項突破性研究，探討如何利用單原子鎳催化劑進行整合的CO₂捕集與轉化為甲烷的技術，並分析其創新性及商業化潛力。
圖示說明:：Ni@Au (211) 上氨基甲酸酯電還原為甲烷的途徑。金以黃色表示，鎳以綠色表示，氫以白色表示，氧氣以紅色表示，碳以黑色表示，氮以藍色表示。最小自由能路徑以紅色邊框突出顯示。這對應於上圖所示的路徑。頂部的數字代表轉移的質子-電子對的數量。（Tomaz et al., 2024, JACS)
創新技術背景
二氧化碳的過量排放是全球暖化的主要推動因素。現有的CO₂捕集技術多數側重於減少大氣中的CO₂濃度，而未能有效地將其轉化為有價值的產品。近期，一項結合化學與材料科學的研究突破了這一瓶頸，展示了如何使用單原子鎳催化劑來將CO₂轉化為甲烷。
研究中，科學家首先使用胺類化合物作為捕集溶液，通過胺與CO₂的化學反應形成穩定的中間物質。隨後，這些捕集的CO₂中間體被引入含有單原子鎳催化劑的反應器中，透過電化學還原將其轉化為甲烷。
技術細節
該研究的核心是單原子鎳催化劑的創新設計。這種催化劑的結構由單一鎳原子均勻分散於金屬基底上，其高表面能與活性位點密度大幅提升了催化性能。此外，該研究結合密度泛函理論（DFT）計算，深入解析了反應路徑，證實了單原子鎳催化劑在促進CO₂轉化中的關鍵作用。
實驗結果顯示，使用0.5M 胺類溶液進行CO₂捕集後，再以-1.5 V的電壓進行電化學還原反應，甲烷的生成效率顯著提高，並在一定條件下達到良好的選擇性和產率。
創新性分析
該技術的創新性主要體現在以下幾點：
1.捕集與轉化的整合：相比傳統方法，該技術將CO₂捕集與轉化過程整合到同一工藝中，降低了中間物流的處理成本。
2.高效單原子催化劑：單原子鎳催化劑突破了傳統多原子催化劑的性能限制，展現了更高的選擇性與穩定性。
3.碳循環的閉環管理：這一技術不僅有助於減少CO₂排放，還將其轉化為清潔能源甲烷，實現了碳的高效循環利用。
商業化可行性
該技術的商業化潛力巨大，但仍需克服以下挑戰：
1.催化劑成本：單原子催化劑的製備技術雖已成熟，但其大規模生產仍需降低成本。
2.能耗問題：儘管電化學轉化過程的能耗已被優化，但進一步降低電力需求是實現經濟可行性的關鍵。
3.應用範疇：目前的研究主要針對實驗室規模，將技術應用於工業領域需要擴展設備和反應條件的適用性。
然而，其優勢也為商業化鋪平了道路：
- 潔淨能源需求增長：隨著全球對清潔能源的需求提升，甲烷作為一種重要的燃料替代品，其市場潛力不可忽視。
- 碳稅政策推動：越來越多的國家實施碳稅和碳交易制度，這一技術為企業提供了一個將碳排放轉化為經濟價值的可行方案。
- 技術模組化：該工藝的模組化設計適合在不同規模的產業中實施，從中小型企業到大型工廠均可受益。
結語
該研究不僅提供了一種高效的CO₂捕集與利用方法，還為潔淨能源生產提供了新的思路。未來，隨著技術的不斷完善與商業化推進，我們有望看到這一創新技術在全球範圍內的應用，助力碳中和目標的實現。
透過這一突破性技術，我們不僅在減碳的道路上邁出了重要一步，還為永續發展提供了創新的解決方案。
Reference:
Tomaz Neves-Garcia, Mahmudul Hasan, Quansong Zhu, Jing Li, Zhan Jiang, Yongye Liang, Hailiang Wang, Liane M. Rossi, Robert E. Warburton, and L. Robert Baker, “Integrated Carbon Dioxide Capture by Amines and Conversion to Methane on Single-Atom Nickel Catalysts”
Journal of the American Chemical Society 2024 146 (46), 31633-31646
DOI: 10.1021/jacs.4c09744
