「我的博士生拿着碳样本，戴着手套跑进办公室，高兴地对我说『Ken，我想我们成功了！』对于任何研究人员来说，这都是一个值得庆幸的时刻，因为你可以告诉其他人所做的是正确的。特别是，我们已经破解了一个几十年来一直没有解决的长期挑战。」澳大利亚墨尔本皇家理工大学高级讲师蒋建光表示，近日他和团队采用镓基液态金属将 CO₂ 直接转化为固体碳，可帮助推进重工业的脱碳。
图 | 该团队部分成员，中间为蒋建光（来源：澳大利亚墨尔本皇家理工大学）
1 月 17 日，相关论文以（Direct conversion of CO₂ to solid carbon by Ga-based liquid metals）为题，发表在 Energy & Environmental Science 上 [1]。
图 | 相关论文（来源：Energy & Environmental Science）
「CO₂ 气泡就像香槟酒杯中的气泡一样升起」
蒋建光表示，利用人造 CO₂ 合成商业化工产品，可能是个一石二鸟的好办法。既能促进化学工业的可持续发展，同时还能减少向大气排放 CO₂ 。每年将 CO₂ 转化为化学品的工业转化率约为 CO₂ 总排放量的 1%。
图 | 固体碳（来源：蒋建光）
如果能用化学方法将 CO₂ 中的碳固定回化学原料或燃料池，人类有望将原本的排放污染转化为具有更高经济价值的产品。因为 CO₂ 本身化学性质就不活泼，因此设计能以 CO₂ 为反应原料的固化材料仍然具有挑战性。
考虑到高活性、替代易结焦的传统固体材料，以及要克服 CO₂ 分解过程中高能量需求这几点需求，蒋建光和团队开发出一种利用液态金属将 CO₂ 直接分解为固体碳的新方法，其中使用的液态金属具有高活性、坚固性和极强的抗结焦能力等特点。
研究中，他们采用了一个简单的鼓泡塔反应器。鼓泡塔反应器由石英制成，能够承受高工作温度下的活性试验，还可提供高可见度，以及对液态金属提供耐化学性。加热则由配备 k 型热电偶的外部分体式炉提供，并连接到温度控制器。
图 | 博士研究员卡玛·祖莱奇（Karma Zuraiqi）采用实验技术，旨在顺利集成到标准工业流程中（来源：澳大利亚墨尔本皇家理工大学）
另据悉，蒋建光等人通过使用电子质量流量控制器和止回阀，来调节进入鼓泡塔反应器的气态 CO₂ 流量，以防止反应物回流。当 CO₂ 被注入液态金属时，CO₂ 气泡就像香槟酒杯中的气泡一样升起。当气泡在液态金属中移动时，气体分子分裂成片状固体碳，反应只需一秒钟。
如此快的化学反应速度，使得这项技术具备极大商业化潜力，生产效率也远超其他替代方法。反应后，让反应器及其内容物自然冷却，并从 LM 熔体顶部收集碳产物以进行进一步测试。
蒋建光和团队已证明，当温度低于 400°C 时，在不使用辅助还原剂比如氢气或其他能源的情况下，他们首次实现了连续 CO₂ 转化和出色的碳产品选择性。液态金属的卓越性能表明，即使在室温下也能分解 CO₂ ，这为利用热转化方法奠定了基础，并提供了将 CO₂ 固定回化学池组分的途径。因此，这项技术有望帮助企业将 CO₂ 废气转化为具有商业价值的绿色产品。
从事多相催化已有 20 多年
蒋建光表示，CO₂ 利用研究是其团队的长期研究主题之一，他从事多相催化已有 20 多年。多年来，他一直和跨国能源公司合作开发低排放工艺技术，包括制氢和 CO₂ 转化为化学品/燃料。
不过他也坦言，尽管自己和团队在使用 CO₂ 作为原料生产各种高价值产品方面取得了成功。然而，这些系统的一个基本特征是，尽管可把 CO₂ 化学转化为化学品和合成燃料比如甲醇和二甲醚，但在燃料和/或化学品池中回收 CO₂ 并不一定能助力减少废气的排放。
（来源：澳大利亚墨尔本皇家理工大学）
这是因为 CO₂ 基产品的碳保留时间因产品而异，燃料大约需要不到几年，化学中间体则需几十年不等。最终，这些碳仍将「泄漏」到我们的环境中，相当于治标不治本，没有解决根本问题。此外，随着其他能源技术的快速适应，运输部门被视为吸收 CO₂ 燃料的最大市场，但是 CO₂ 衍生产品的未来前景很难评估。因此，允许利用 CO₂ 生产高价值产品的替代战略是非常可取的。
蒋建光认为，将 CO₂ 转化为高纯度碳的新工艺是非常可取的。生产后，碳可以运离现场进行处理，用于制造其他产品，和/或出售给其他行业。然而，实现该反应潜力的核心挑战也与形成的碳有关。当碳形成时，它基本上会结焦并导致催化剂失活。
这时他意识到，需要跳出思维定势，发展一种非传统的方式来解决这个问题。早在 2018 年，蒋建光就开始和其同事托本·德内克（Torben Daeneke）博士谈论这一课题，后者也是此次技术的共同发明者。德内克是一名材料化学家，多年来一直致力于液态金属合金的研究。他一直尝试利用相关材料来为电子应用发展超薄半导体。
液态金属合金具有独特的物理和化学性质，这些材料有助于解决结焦问题。蒋建光补充称：「我们所取得的成果确实是化学工程师和材料化学家之间的『激烈反应』。」
他认为，该技术可作为一种替代技术，捕获 CO₂ 并将其转化为固体碳。同样，该技术显然具备扩大规模的潜力，并在未来可以帮助水泥和钢铁生产等重工业工厂实现碳中和。据美国环保署称 2019 年的总排放量为 65.58 亿吨 CO₂ 当量。
在全球范围内，混凝土和水泥的生产占全球 CO₂ 排放总量的 8%。对于水泥和钢铁等重工业来说，脱碳是一个巨大的技术挑战，它们不仅是能源密集型行业，而且在生产过程中还直接排放 CO₂ 。
这项新技术提供了一条途径，可以在 CO₂ 产生时立即将其转化，并将其永久锁定在固态，从而将 CO₂ 排除在大气之外。
蒋建光还表示：「我必须说，这项技术不是万能的。但我始终相信，我们需要一套类似的技术来共同应对这一重大挑战。每个行业合作伙伴的问题往往都不相同，因此我们需要了解他们的特殊挑战，并确定可能的途径。」
他希望该技术能成为推动碳中和的重要新工具，帮助行业和政府履行气候承诺，并使人类接近净零排放。目前，他们正在计划模块化设计，从而对更大规模的操作进行改造。
另据悉，该技术已提交临时专利申请，该团队最近与澳大利亚环境技术公司 ABR 签署了一项价值 260 万澳元的协议，后者正在将技术商业化，从而让水泥业和钢铁制造业脱碳。研究的下一阶段是与 ABR 合作，将概念验证扩展到集装箱大小的模块化原型。
对于技术转化，蒋建光主要关注制造业、而非发电厂。他说，已经有许多可再生能源可以替代化石燃料发电，也在经济规模上得到了证明，所以避免排放通常比补救要好。
据悉，蒋建光祖籍香港，1991 年和父母一起移民到澳大利亚。移民之前，他在香港圣弗兰西斯沙维尔中学接受了 6 年的教育。
他表示：「这是我学习经历的一个重要部分，也是我培养化学兴趣的地方。这所学校为我提供了一个良好的成长环境，在那里我的化学思想受到了启发。这对我选择大学专业产生了巨大影响。后来我获得奖学金，在澳洲新南威尔士大学拿到了我的化学工程学士学位和博士学位。」
