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向二氧化碳要燃料 美展示二氧化碳循环器样机

2009年11月26日16:14 [我来说两句] [字号: ]

来源:科学时报

  □本报记者 肖洁

  全球变暖现在是世界各国都在考虑的大问题,很多科学家都在研究如何将二氧化碳封存,以减少其对地球环境的影响。不过,美国桑迪亚国家实验室的科学家们最近成功演示了一台样机,可以利用太阳能,将水和二氧化碳转化为氢气和一氧化碳。

这个“从阳光到汽油”的系统将帮助人们找到一个循环利用二氧化碳的好办法,将发电站和工厂排放的二氧化碳转化为汽油、柴油和航空燃料,其能量转换效率至少达到自然界光合作用效率的两倍。

  美国麻省理工学院《技术评论》杂志日前报道说,今年秋天,桑迪亚国家实验室的一台手工制造的样机测试获得成功。“这是我们评估的第一台样机。”该机器的发明者——桑迪亚国家实验室的研究人员Rich Diver说。

  “目前看来,我们认为这是除封存二氧化碳以外的另一个选择。”桑迪亚先进材料实验室的化学工程师James Miller说。他的解释是,不用将二氧化碳泵入地下永久保存,充足的太阳能可以被用来获得“反向燃烧”,将二氧化碳变回一种燃料。“这一方法可以对煤厂、酿酒厂等集中排放源释放的二氧化碳进行高效利用”。

  这个圆柱形的金属机器,被称为反转环接收反应换热器(CR5),依靠被聚焦的太阳能来引发一种富铁合成材料的热化学反应。根据设计,该材料在极高温条件下会放弃一个氧分子,而温度降下来时又会重新得到一个氧分子。

  该样机每一侧各有一个腔体。一边是热的,另一边凉一些。贯穿中间的是14个飞盘状的环,以每分钟一圈的速度旋转。每个环的外沿都由以锆基为载体的铁氧化合材料组成。科学家们使用一个太阳能聚集器来加热一侧的腔体至1500摄氏度,使得环一侧的铁氧化物放弃氧分子。当这一侧旋转到另一个腔体时,马上开始降温,二氧化碳也被泵入。这种降温过程帮助铁氧化物从二氧化碳中“偷”回氧,留下一氧化碳。这个过程不断重复,使得泵入的二氧化碳不断变成一氧化碳向外输出。

  Miller说,这一过程也可以用来生产氢气,唯一的不同在于,往第二个容器内添加的不是二氧化碳,而是水。这两个过程分别得到的气体——氢气和二氧化碳混合后成为合成气,合成气可以被当做传统燃料的“简易替换元件”。

  Diver最初设计这一机器时,脑子里想的是氢经济。他的想法是避免电解的低效率,建造一个太阳能热机,直接生产氢气和氧气,去掉电这个“中间人”。目前,日本、法国和德国的一些科学家还在继续沿着这一研究思路努力。

  但是,桑迪亚国家实验室的科学家们很快意识到,相同的过程可以将二氧化碳变为一氧化碳。即使氢经济无法实现,他们仍然有办法制造出我们现在所依赖的传统燃料,而且这一办法还可以减少因煤和天然气的燃烧所带来的环境影响。

  Diver说,目前他们面临的挑战是如何提高该系统的效率。如果桑迪亚实验室的研究团队可以实现更高的效率,“那将是非常重要的一步。”加拿大女王大学的Vladimir Krstic说。他是该校高级陶瓷和纳米材料制造中心的主任。

  研究者指出,该技术大约还需要15到20年才能真正推向市场。在这期间他们的目标是每三年推出新一代的样机,不断提高能量转化效率以及降低成本。这也许可以寄希望于新的陶瓷合成材料的发展,这样的材料在较低一些的温度就会释放氧分子,使得更多的太阳能被转换成氢气或一氧化碳。

  “我们的短期目标是将效率提高几个百分点。”Miller说,“它看起来可能只是很小的一个数字,但我们可以将它与光合作用相比较,光合作用在利用太阳能方面其实效率是非常低下的。”

  据Miller介绍,光合作用的理论最高效率大约为5%,但实际上只能达到约1%。他相信,从太阳能到燃料的转换效率最终能够接近10%。“不过我们目前距离这一目标还很远。”Miller说。

(责任编辑:罗园)
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