全世界都在尋找從空氣或發電廠廢氣中提取二氧化碳並將其轉化為有用物質的方法。其中一個比較有前景的想法是將其製成穩定的燃料，在某些應用中可以取代化石燃料。但大多數此類轉化過程都存在碳效率低的問題，或者它們生產的燃料難以處理、有毒或易燃。

現在，麻省理工學院和哈佛大學的研究人員已經開發出一種高效的工藝，可以將二氧化碳轉化為甲酸鹽，甲酸鹽是一種液態或固態物質，可以像氫氣或甲醇一樣用於燃料電池和發電。甲酸鉀或甲酸鈉已經形成工業規模，通常用作道路和人行道的除冰劑，它無毒、不易燃、易於儲存和運輸，並能在普通鋼罐中保持穩定，在生產幾個月甚至幾年後仍可使用。

效果圖顯示了灰色桌子上的三個部分：頂部是白色的房屋模型；燃料電池夾在兩塊金屬板之間，周圍漂浮著球形分子；底部是電解槽，看起來與燃料電池相似，周圍也漂浮著分子。圖片來源：哈佛大​​學設計研究所Shuhan Miao

麻省理工學院博士生張震、任志初和亞歷山大-奎恩（Alexander H. Quinn）、哈佛大學博士生奚大為和麻省理工學院教授李菊最近在《細胞報告物理科學》（Cell Reports Physical Science）雜誌上發表的一篇開放存取論文中描述了這項新工藝。整個過程包括捕獲氣體並將其電化學轉化為固體甲酸鹽粉末，然後用於燃料電池發電。不過，研究人員希望它可以擴展，以便為個人家庭提供無排放的熱能和電力，甚至用於工業或電網規模的應用。

提高效率和實用性

其他將二氧化碳轉化為燃料的方法通常涉及兩個階段： 首先，透過化學方法捕獲氣體並將其轉化為碳酸鈣等固體形式，然後加熱該材料以驅除二氧化碳並將其轉化為一氧化碳等燃料原料。第二步的效率非常低，通常只能將不到20% 的氣態二氧化碳轉化為所需產品。

相較之下，新製程的轉化率遠超過90%，而且不需要低效率的加熱步驟，首先將二氧化碳轉化為一種中間形式，即液態金屬碳酸氫鹽。然後，在使用低碳電力（如核能、風能或太陽能）的電解槽中，透過電化學方法將這種液體轉化為液態甲酸鉀或甲酸鈉。然後，生產出的高濃度液態甲酸鉀或甲酸鈉溶液可以透過太陽能蒸發等方法進行乾燥，產生高度穩定的固體粉末，可以在普通鋼罐中儲存長達數年甚至數十年。

帶有碳酸氫鹽陰極、中間緩衝層、陽離子交換膜和水陽極的電沸騰器配置。資料來源：哈佛大​​學設計研究所Shuhan Miao

核科學與工程系和材料科學與工程系聯合任職的李說，團隊開發的幾個優化步驟在將低效化學轉換過程轉變為實用解決方案方面發揮了重要作用。

轉換過程與應用

碳捕集與轉化過程首先是基於鹼性溶液的捕集，將發電廠排放等高濃度氣流或極低濃度來源（甚至是露天）的二氧化碳濃縮成液態金屬碳酸氫鹽溶液。然後，透過陽離子交換膜電解槽，這種碳酸氫鹽被電化學轉化為固體甲酸鹽晶體，其碳效率超過96%，這一點已在研究小組的實驗室規模實驗中得到證實。

這些晶體具有無限期的保質期，非常穩定，可以儲存數年甚至數十年而幾乎沒有損耗。相較之下，即使是現有最好的實用氫氣儲存罐，每天也會有約1%的氣體洩漏，這就排除了任何需要長年儲存的用途。甲醇是另一種被廣泛探討的將二氧化碳轉化為燃料電池所需的燃料的替代品，但甲醇是一種有毒物質，在洩漏可能對健康造成危害的情況下，甲醇很難被改造成燃料電池所需的燃料。而甲酸鹽則被廣泛使用，根據國家安全標準，甲酸鹽被認為是無害的。

技術改進

此製程的效率之所以能大幅提高，主要得益於幾項改進。首先，膜材料及其配置的精心設計克服了先前嘗試這種系統時遇到的一個問題，即某些化學副產品的堆積會改變pH 值，導致系統的效率隨著時間的推移而逐漸降低。”傳統上，很難實現長期、穩定、持續的原料轉化，”張說。”我們系統的關鍵在於實現穩態轉換的pH 值平衡。”

為此，研究人員進行了熱力學建模，以設計新工藝，使其達到化學平衡，pH 值保持穩定，酸度不會隨時間變化。因此，它可以長期高效地運作。在他們的測試中，該系統運行了200 多個小時，產量並沒有明顯下降。整個過程可在環境溫度和相對較低的壓力（約為大氣壓力的五倍）下完成。

另一個問題是，不必要的副反應會產生其他無用的化學產品，但研究小組想出了一個辦法，通過引入一個額外的富含碳酸氫鹽的玻璃纖維棉”緩衝”層來阻止這些副反應。

研究小組還建造了一個燃料電池，專門針對使用這種甲酸鹽燃料發電進行了最佳化。儲存的甲酸鹽顆粒只需溶解在水中，然後根據需要泵入燃料電池。雖然固體燃料比純氫重得多，但考慮到儲存氫氣所需的高壓氣罐的重量和體積，最終的結果是，在給定儲存體積的情況下，電力輸出接近平價。

潛在應用

研究人員說，甲酸鹽燃料可以應用於從家用設備到大型工業用途或電網規模的儲存系統等任何領域。最初的家庭應用可能需要一個與冰箱大小相當的電解裝置，用來捕捉二氧化碳並將其轉化為甲酸鹽，然後儲存在地下或屋頂的儲存槽中。然後，在需要時，將粉狀固體與水混合，送入燃料電池，提供電力和熱量。張說：”這適用於社區或家庭示範，但我們相信，將來它也可能適用於工廠或電網。”

西北大學化學系教授、電機與電腦工程系教授泰德-薩金特（Ted Sargent）說：「甲酸鹽經濟是一個引人入勝的概念，因為金屬甲酸鹽非常良性和穩定，是一種引人注目的能量載體。作者們證明了從碳酸氫鹽原料到甲酸鹽的液-液轉換效率得到了提高，並證明了這些燃料以後可以用來發電。”