- 科學家在熔融鹽中觀察到二氧化碳轉化為固體碳的過程。
- 研究團隊設計專門反應池以捕捉高溫下的數據。
- 控制碳的物理結構是技術進步的關鍵。
- 擴大生產至工業規模仍面臨多項挑戰。
[原文章]
科學家觀察到二氧化碳在 500°C (932°F) 的熔融鹽中即時轉化為固體碳。這個研究團隊包括來自洛倫斯伯克利國家實驗室、加州大學伯克利分校及愛沙尼亞國家化學物理與生物物理研究所的科學家。他們的研究成果發表於《自然通訊》期刊。這一過程使用了一種稱為熔融鹽電解的技術。高温下的液態鹽能在兩個電極之間導電。當二氧化碳進入熔融鹽時，電流會去除其氧原子。這一還原反應使純淨的固體碳沉積在陰極上。
專門設計的反應池
至今，在分子尺度上研究這一過程幾乎是不可能的。熱液鹽具高度腐蝕性，並迅速摧毀標準實驗室光學設備。為瞭解決這一問題，團隊設計了一個專門的反應池，配備耐熱鏡頭。這一設計使定製顯微鏡能夠在 500°C (932°F) 的條件下捕捉持續的視覺數據，同時反應池正在運行。
伯克利實驗室的科學家邁克·惠特克表示：「這是在利用熔融鹽合成關鍵材料和電池材料的更大努力中一個重大勝利。」即時影像顯示，化學轉化分為兩個不同的階段。二氧化碳不會立即轉化為固體碳。相反，它會先形成一個中間化學狀態，然後再沉積到電極上。研究人員測試了不同的鹽混合物和電極材料，以觀察系統的反應。基本的兩步反應在每一種組合中保持不變。然而，材料的變化會改變沉積碳的物理結構。
不同的電極表面和鹽化學成分使碳原子以不同的幾何模式排列。惠特克補充道：「如果能夠在低温下使用非常便宜的鹽進行這一過程，便可以在很多地方運行，並產生足夠的石墨，供應到電池供應鏈中。」
控制碳的物理結構
對於這項研究而言，控制物理結構是主要的技術進步。電池級石墨需要非常特定的晶體排列。在電動車電池中，碳層必須均勻間隔，以便能量攜帶離子能夠平滑地在其間滑動。由於改變輸入材料會改變最終碳的佈局，科學家可以調整系統以生產電池級石墨。在實現工業化操作之前，仍然存在若干工程挑戰。目前的系統在 500°C (932°F) 下運行，需要持續的能量來保持鹽的液態。團隊總結道：「下一步是確定最佳的熔融鹽、電極材料、温度和電壓組合，以製造石墨和其他碳材料。」
研究人員還需要擴大這一方法，以生產工業上有用的數量。
然而，從微觀反應池擴大到全尺寸反應器將需要對氣體流動、熱分佈和較大電極表面的電流密度進行仔細管理。如果工程師能夠解決這些操作障礙，該技術可直接從捕獲的工業排放中供應合成石墨。
項目 規格 運行温度 500°C (932°F) 電極材料 未指定
從實驗室到工業化的挑戰
這項研究展示了在高溫熔融鹽中轉化二氧化碳的潛力，為可持續能源材料的生產鋪平道路。控制碳的物理結構對於生產電池級石墨至關重要，這對電動車及其他應用有重要影響。然而，從實驗室規模擴大到工業應用仍需克服許多技術挑戰，包括氣體流動和熱分佈的管理。成功實現這一技術將有助於減少工業排放，並推動綠色能源的發展。