科學家將二氧化碳轉化為航空燃料,飛機可以實現「淨零排放」

2020-12-25 騰訊網

一個多世紀以來,我們的工業社會與人類的繁榮、財富和福祉都是基於碳氫化合物化石燃料的燃燒。然而,它的副作用也是非常明顯的,溫室氣體排放擾亂了自然環境,這些溫室氣體包括二氧化碳、一氧化二氮和甲烷。但是,科學家預計,到2030年之前,化石燃料的使用每年還是會增長1.3%。航空運輸是二氧化碳的高排放源,因為它在現代社會中扮演著全球化的重要角色。

航空燃料的主要成分為直鏈烷烴和支鏈烷烴,其典型碳鏈長度分布為C8到C18,其中理想碳鏈長度為C8-C16。考慮到這些公認的環境問題,開發清潔節能技術以生產可持續或可再生航空燃料是當務之急。

在過去幾年裡,將二氧化碳轉化為燃料和高附加值化學品引起了世界各國的極大興趣,因為它不僅有助於減少溫室氣體排放,而且還能生產有價值的化學商品。因此,二氧化碳的轉化和利用被視為控制溫室氣體和可持續發展的一個重要組成部分。

在尋找可持續的或可再生的航空燃料時尤其如此。這些燃料提供了相當大的潛力,因為它們不是消耗化石原油,而是利用可持續的、可再生的氫和能源從二氧化碳中生產出來的。

然而,二氧化碳的活化是極具挑戰性的,二氧化碳是一種完全氧化的、熱力學穩定的化學惰性分子。此外,通過二氧化碳氫化而合成的烴類通常是短鏈烴類,而不是令人滿意的長鏈烴類。因此,這一領域的研究大多集中在CO2選擇性加氫生成CH4、CH3OH、HCOOH和輕烯烴(C2-C4烯烴),而對於生成分子級C5+液態烴的研究較少。

將二氧化碳轉化為液態碳氫化合物有兩種方法。第一種是間接法,先將二氧化碳轉為為一氧化碳或者甲醇,然後再和氫反應生成液態碳氫化合物。第二種方法是直接往二氧化碳加氫生成液態碳氫化合物,然後經過工業上的處理,如蒸餾或氫化異構化,就可以從這些產品中獲得航空燃料。

這種直接的方法被普遍認為更經濟和環保,因為它涉及較少的化學過程步驟,整個過程的整體能源消耗較低。但是,它的難度相對較高,如何使二氧化碳和氫氣直接進行化學反應是一個問題。

牛津大學的化學家使用廉價的鐵基催化劑成功解決了這一困難。他們在一個小反應室中對其新催化劑進行了測試,該反應室設置為300攝氏度,並加壓到海平面氣壓的10倍左右。在20個小時內,催化劑將反應室內38%的二氧化碳轉化為新的航空燃料。該轉化反應還可生產乙烯、丙烯和丁烯等輕質烯烴。

由於二氧化碳是從空氣中提取出來的,在飛行過程中燃料燃燒後又重新排放出來,所以從總體效果來看它是一種清潔的燃料,可使飛機實現「淨零排放」,這與傳統的航空燃料形成了鮮明的對比。

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