利用二氧化碳生产建材,让“空中楼阁”成为现实

试想一下,如果烟囱和汽车排放的二氧化碳全都可以用来建造摩天大楼,不再污染空气,那会是什么样?如果一项新工艺得到普及,这就可能成为现实。

科学家们正在将造成气候变化的二氧化碳(CO2)这种温室气体变成碳纤维。这种纤维是纳米纤维,它们可能是未来的建筑材料。

Image of magnified carbon nanotube beside an image of threads of carbon nanofibers (Courtesy of Stuart Licht)
左边显示的是由二氧化碳生成的碳纳米管;右边是纳米纤维,上面有碳纳米管的增长亮点。 (图片由Stuart Licht提供)

斯图尔特·利希特(Stuart Licht)是乔治·华盛顿大学(George Washington University)研究该工艺的研究小组中的首席科学家。他认为利用气体制造坚固耐用的材料最终在商业上将是可行的。

他的研究小组发现,碳纳米纤维在强度、韧性和导电性方面优于钢材。这使得它们具有广泛的用途,从电池、电器到在建筑物、飞机、汽车和运动设备中所使用的重量轻、高强度的材料。

Black roll of industrial fabric unraveling (Shutterstock)
碳纤维强化材料,比如这卷凯夫拉(Kevlar),具有多种工业用途。(Shutterstock)

更环保能否更便宜?

利希特在2015年介绍了他的小组的研究成果。在那以后,他的研究小组还发现,这些纳米纤维可以制成甚至更加坚固的碳纳米管。利希特说,最近的一项研究表明,天然气发电厂所排放的二氧化碳气体可以“经济化地被清除并被转化为碳纳米管”。[请见英文报道]

Two people sitting inside an electric car (© AP Images)
像特斯拉这样的高性能电动车辆可以从轻质碳纤维部件中获益 (© AP Images)

汽车制造商已经在使用碳纤维来代替钢材,以减轻车重。但制造碳纤维成本高昂,需要价格不菲的原材料、能源消耗和设备。而钢和铝的生产成本则较低。

尽管如此,如果碳可以从大气中大量存在的二氧化碳中高效地提取,碳纤维建材的价格就可能大幅降低。利希特说有些公司已经表示对此很感兴趣。

使用太阳能的新工艺

将二氧化碳变成碳纳米纤维需要几个步骤,并要利用可再生能源。

  1. Animated diagram showing how carbon is made from carbon dioxide (State Dept./ D. Thompson)
    (美国国务院/ D. Thompson)

    在排放量大的地方从空气中采集二氧化碳。

  2. 太阳能提供了将捕获的二氧化碳在熔融碳酸盐浴中分解所需要的高热能和电能。
  3. 二氧化碳在接触带电电极时发生溶解。
  4. 碳纳米纤维在钢电极上积聚。

利希特认为,这一工艺可能大规模完成,这将大大减少人类活动所产生的有害的二氧化碳排放。

环境科学家马丁·斯图特(Martin Stute)参与了将二氧化碳存储在石头中的突破性研究。他说,早期的碳纳米纤维研究是令人鼓舞的。 “[碳纳米纤维]有希望用在建筑施工中,以取代钢和铝。”

下一步是什么?利希特的研究小组是竞争“碳X大奖”(Carbon Xprize)的团队之一,该奖项的目的是推动创新技术,通过将二氧化碳转化成为有价值的商业产品,来减轻气候变化的影响。