用二氧化碳制造负碳化学物质

AZoCleantech采访了萨里大学的梅利斯·杜亚尔博士，谈谈他们对清洁技术研究的贡献。杜亚尔和她的团队合作开发了捕获二氧化碳的材料和工艺，将捕获的二氧化碳与氢进行化学转化，并释放出最终产品，这将是一种负碳化学物质。

你能简要介绍一下你在萨里大学的工作，以及你是如何开始研究更清洁的燃料的吗?

我是萨里大学化学与工艺工程的讲师。我领导着一个专注于环境污染控制和可持续燃料合成的研究小组，我还教授一些模块，如设计项目、工艺操作和管理以及分离过程，在这些模块中，我们强调负责任的化学工程实践，以实现可持续的未来。

在哥伦比亚大学攻读硕士学位期间，我开始研究清洁燃料。最初，我研究了天然气制氢，了解了灰色氢的碳足迹。我的项目专注于捕获过程中释放的二氧化碳，产生现在更广为人知的“蓝色”氢。

在我的博士项目期间，我研究了如何利用二氧化碳通过反应来制造其他化学物质，这些反应需要特定的催化剂是可行的和节能的。

在我之前工作的基础上，我的研究向综合碳捕获和利用发展。一个反应堆可以从任何排放源捕获碳，并将其转化为有价值的化学品和燃料。这是我在萨里大学小组的一个核心研究主题。通过这种独特的方法，我们能够将两个过程(碳捕获和利用)合并为一个过程，这使我们能够在材料性能和能源效率方面实现协同增效。

怎样才能用二氧化碳生产更清洁的燃料呢?

我们今天使用的大多数燃料是由碳原子和氢原子组成的。例如，天然气主要由甲烷组成，甲烷包含一个碳原子和四个氢原子。

用可再生的氢作为反应物，就有可能将二氧化碳转化为燃料。如果从空气中收集二氧化碳，并且在这个过程中没有额外的排放，那么产生的燃料将是碳中性的，因为它的燃烧在一个封闭的循环中导致净零排放。

催化剂是加速反应的表面。有可能设计催化剂来实现二氧化碳的化学转化为所需的产品。我们可以利用空气中的二氧化碳和氢气来生产不同的燃料。在可以用于脱碳运输的液体燃料的情况下，我的团队正在研究直接从空气中生产甲醇，使用我们所谓的“双重功能材料”，既能捕获二氧化碳，又能催化其化学转化。

这种清洁燃料的价值如何抵消直接捕获空气的成本呢?

直接空气捕获(DAC)使我们能够从空气中获得浓缩的二氧化碳流，这是一种非常稀释的来源。一旦二氧化碳被捕获，就需要消耗能量才能将其从“吸附剂”中释放出来，“吸附剂”是一种能够从气体混合物中捕获二氧化碳的固体。这一能源密集型步骤是直接空气捕获的主要成本来源。此外，一旦二氧化碳被提纯，我们仍然需要一种方法来安全地储存它或将其用作化学合成的碳源，由于运输和进一步加工，在这些过程中会消耗更多的能量。

二氧化碳与氢气的一些反应释放热量，同时作为最终产品产生更清洁的燃料。通过在DAC过程中对捕获的二氧化碳进行这些反应，我们可以利用释放的热量来“再生”吸附剂，同时使用捕获的碳直接合成更清洁的燃料。这将一个能源密集型过程(从吸附剂中释放二氧化碳)与一个产热过程(将二氧化碳转化为燃料)结合在一起，消耗和产生的能量的平衡可以抵消直接捕获空气的成本。作为一个额外的好处，这个过程不是释放浓缩的二氧化碳，而是释放浓缩的清洁燃料，为这个过程提供收入。

你能概括一下你的研究项目及其对社会的好处吗?

该项目旨在开发捕获空气中二氧化碳的材料和工艺，将捕获的二氧化碳与氢进行化学转化，并释放最终产品甲醇。

甲醇是目标产品，因为它在化学工业中广泛使用，因为它可以作为液体燃料使用并安全储存。

2020年，英国进口了价值1.45亿英镑的甲醇，相当于60 - 160万吨二氧化碳排放量(取决于生产甲醇时使用的是天然气还是煤炭)。除了这些可以避免的排放外，甲醇和其他液体燃料还可以用于交通部门的脱碳，而交通部门的排放量占英国的30%。

如何将您的技术扩展到多个应用程序?

目前，全球经济依赖于加工主要由碳和氢组成的化石燃料。几乎我们使用的每一种化学品和燃料都含有化石燃料，不管这种化学品本身是否含有氢和碳。直接从空气中获取碳，从可持续的过程中获取氢(例如使用可再生电力分解水)，可以实现零排放甚至负排放的更快、更公平的化学工业。

通过正确的双功能材料设计，应用可以扩展到化学领域的每一个部分，通过取代我们目前通过石油炼制的反应物，用那些来自空气和可再生氢的反应物。

为什么这项研究对我们星球的未来和实现净零目标很重要?

为实现净零目标，我们必须转向循环经济。

将直接空气捕获与化学品生产相结合构成了真正的循环经济冒险，因为在产品下游加工和使用过程中释放的任何二氧化碳都不会导致大气中CO的净增加₂．

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通过合成在使用过程中没有完全燃烧的长寿命产品(例如耐用的建筑材料)，一些二氧化碳将被封存在负碳产品中。此外，由于我们的目标是采用较温和的操作条件，以及在世界任何地方获得反应物(二氧化碳和可再生氢)的能力，我们可以结束化学品生产的地理不平等，并建立一个不依赖进口化石燃料的循环化学工业。

在你的研究过程中，你的团队面临/可能面临哪些挑战?如何克服这些挑战?

由于直接空气捕获(通常在环境条件下进行)与商业上在高温高压下进行的化学反应(甲醇合成)的耦合，该项目提出了一些独特的挑战。

协调这些工艺的操作条件将是一个科学突破，与解耦DAC和甲醇合成方案相比，可能会降低整个工艺的能源需求。

我们在耦合过程中使用的任何双功能材料都必须在空气和氢气环境下耐用，这是一个额外的令人兴奋的科学挑战。

我的团队在研究材料(吸附剂、催化剂和双功能材料)在二氧化碳捕获和转换下的动态行为方面经验丰富，这是我们基于对基本机制的理解而设计双功能材料的优势。

这个项目的下一步是什么?

下一步是证明可以直接从空气中使用氢气作为输入来生产甲醇。在实现这一目标后，有必要进行基础实验，以了解动态化学合成下的材料结构和机制。这将与建模和优化相结合，使我们能够加速发现用于甲醇生产或其他应用的新型双功能材料。

目标是为建立循环化学工业奠定基础。

读者在哪里可以找到更多的信息?

https://www.duyarlab.com/

https://www.surrey.ac.uk/news/cleaner-fuels-co2-promise-new-surrey-project

https://www.ukri.org/news/adventurous-ideas-to-make-net-zero-a-reality/

https://www.surrey.ac.uk/people/melis-s-duyar

关于梅利斯·杜亚尔医生

梅利斯·杜亚尔博士是萨里大学化学与工艺工程讲师。她在能源和环境应用的多相催化方面有研究背景。

她目前的研究方向是开发用于二氧化碳捕获的新型吸附材料，以及用于从碳基原料中生产可持续燃料和化学品的催化材料。

杜亚尔博士在土耳其伊斯坦布尔Koç大学获得化学和生物工程学士学位(2012)。她获得哥伦比亚大学地球与环境工程硕士学位(2013)和博士学位(2015)，并在斯坦福大学化学工程系进行博士后研究(2015-2017)。

在萨里大学接受学术任命之前，Duyar博士曾在美国能源部SLAC国家加速器实验室工作，担任SUNCAT界面科学和催化中心的副职员科学家，也是斯坦福大学化学工程讲师(2017-2019年)。