二氧化碳排放和塑料垃圾是当今世界面临的两个最紧迫的环境问题。

目前大气中的二氧化碳含量比工业时代之前高出 50%。与此同时，过去50年来，塑料产量激增，据联合国环境规划署的统计，全世界每年生产超过4亿吨塑料，而其中的一半只作一次性用途。而在这部分里，只有不到10%被回收。

近日，英国剑桥大学（University of Cambridge）的研究人员展示了如何从工业过程中甚至直接从空气中捕获二氧化碳，并仅利用太阳的能量将其转化为清洁、可持续的燃料，这可能有助于同时解决这两个问题。

据悉，他们开发了一种太阳能反应堆，可将捕获的CO2和塑料废物转化为可持续燃料和其他有价值的化学产品。在测试中，CO2被转化为合成气，这是可持续液体燃料的关键组成部分；塑料瓶则被转化为广泛用于化妆品行业的乙醇酸。

“我们不仅对脱碳感兴趣，而且对去化石燃料感兴趣——我们需要完全消除化石燃料，以创建真正的循环经济，”研究人员欧文·赖斯纳（Erwin Reisner）教授说。“从中期来看，这项技术可以通过从工业中捕获碳并将其转化为有用的东西来帮助减少碳排放，但最终，我们需要完全消除化石燃料并从空气中捕获CO2。”

他们的最新研究成果已于近期发表在了《焦耳》杂志上。

图说：太阳能驱动的烟气和空气中CO2综合捕获和利用

来源：Joule

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太阳能反应堆如何变废为宝？

迄今为止，太阳能驱动的实验使用了来自钢瓶的纯净、浓缩的CO2，但为了使该技术能够实际使用，它需要能够主动从工业过程中或直接从空气中捕获CO2。然而，由于CO2只是空气中众多分子中的一种，因此开发一种足够灵敏的技术来转化非常稀薄的CO2是一项重大的技术挑战。

图说：集成 CO2捕获和转化的示意图

剑桥团队在六个月前已经公布了太阳能反应堆的一个版本。它由两个隔间组成，一个处理二氧化碳，另一个处理塑料废物，整个装置由钙钛矿太阳能电池供电。在此基础上，研究人员进行了优化调整，使其能够处理工业废气，甚至只是环境空气。

首先，空气被泵入含有碱性溶液的系统中，二氧化碳被选择性地保留下来，而其他气体，如氧气和氮气，则会以气泡的形式无害地逸出。然后，研究人员利用这种冒泡技术（bubbling technique）将空气中的二氧化碳集中在溶液中，使其更容易处理。

与先前的版本相同，该集成系统包含光电阴极和阳极。该系统有两个隔室：一侧是捕获的CO2 溶液，该溶液被转化为合成气（一种简单的燃料）。另一方面，塑料仅利用阳光即可转化为有用的化学物质。

图说：从空气中捕获碳及其光电化学转化为燃料，同时废塑料转化为化学品

来源：Ariffin Mohamad Annuar

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未来发展

在实验演示中，研究人员演示了从烟道气或空气中捕获CO2并利用太阳照射将其直接转化为合成气，而无需任何外部施加电压。

图说：太阳能驱动的集成CO 2捕获和转化示意图

该系统用胺/氢氧化物溶液捕获CO2并通过光电化学将其转化为合成气，使用含有固定化分子钴酞菁催化剂的钙钛矿基光电阴极。在阳极，塑料衍生的乙二醇在 Cu26Pd74合金催化剂的作用下被氧化成乙醇酸。

整个过程使用烟气或空气作为碳源，废弃塑料废物作为电子供体，阳光作为唯一的能量输入。

图说：研究团队成员：欧文·赖斯纳、萨扬·卡尔、莫蒂亚尔·拉哈曼（从左至右）

来源：Ariffin Mohamad Annuar

该研究第一作者之一莫蒂亚尔·拉哈曼 (Motiar Rahaman)博士说，“塑料成分是这个系统的一个重要技巧。从空气中捕获和利用CO2使化学反应变得更加困难。但是，如果我们向系统中加入塑料垃圾，塑料就会给CO2提供电子。塑料分解成广泛用于化妆品行业的乙醇酸，CO2转化为合成气，这是一种燃料。”

共同第一作者萨扬·卡尔（Sayan Kar）博士指出：“这个太阳能系统吸收两种有害的废物——塑料和碳排放——并将它们转化为真正有用的东西。我们可以有效地从空气中提取 CO 2并从中制造有用的东西，这一事实很特别。看到我们实际上仅利用阳光就能做到这一点，真是令人欣慰。”

科学家们目前正在开发一种效率和实用性更高的台式演示设备，并表示他们正在考虑使用具有更高开路电压的太阳能电池。他们还希望调整反氧化作用，并驱动其他生物质、纺织品或化学废料的氧化。

研究人员总结道：“经过充分改进，这种概念验证的太阳能驱动的 CO2捕获和利用系统可能有望用于未来分散式离网可扩展太阳能燃料和化学合成技术。”这一技术为未来碳中和甚至负太阳能燃料和废物升级回收技术开辟了新途径。