目前，美國工業流程排放的二氧化碳約佔全國總排放量的三分之一，超過了乘用車、卡車和飛機年排放量的總和。該行業的去碳化是緩解未來氣候影響的一個具有挑戰性但至關重要的步驟。史丹佛大學的研究人員創造了一種創新的反應堆，它使用電力而不是化石燃料，為工業加熱提供了更清潔的替代品，並有可能大幅減少碳排放。

圖片描述的是電感加熱超材料反應器，陶瓷泡沫擋板中裝有催化劑。它正在透過反向水氣變換反應產生一氧化碳和水。圖片來源：Dolly Mantle

史丹佛大學工程學院的研究人員設計並展示了一種新型熱化學反應器，它能夠利用電力而不是燃燒化石燃料來產生許多工業流程所需的大量熱量。該設計於8 月19 日發表在《焦耳》（Joule）雜誌上，與現有的化石燃料技術相比，體積更小、成本更低、效率更高。

史丹佛大學電機工程系副教授、論文資深作者喬納森-範（Jonathan Fan）說：”我們有一個用於熱化學過程的電氣化可擴展反應器基礎設施，它具有理想的加熱和傳熱性能。從本質上講，我們正在將反應器的性能推向其物理極限，並使用綠色電力為其提供動力。

大多數標準熱化學反應器的工作原理是燃燒化石燃料加熱流體，然後流體流入反應器內的管道–就像鍋爐向老房子裡的鑄鐵散熱器輸送熱水一樣，但絕緣性能更好，溫度也更高。這需要相當多的基礎設施，而且沿途有很多機會損失熱量。

新型電氣化反應器利用磁感應來產生熱量，這與電磁爐中使用的過程相同。感應加熱無需透過管道輸送熱量，而是利用電流和磁場之間的相互作用，在反應器內部產生熱量。舉例來說，如果你想透過感應加熱一根鋼棒，你可以在鋼棒上纏繞一根導線，並在線圈中通入交流電。這些電流會產生一個振盪磁場，進而在鋼中感應出電流。由於鋼並非完美的導電體，部分電流會轉換為熱。這種方法能有效地同時加熱整塊鋼材，而不是從外向內產生熱量。

將感應加熱技術應用於化學工業並不是簡單的加熱。工業反應器需要在三維空間中均勻地產生和分配熱量，而且效率比普通爐灶高得多。研究人員確定，他們可以透過使用交替速度極快的高頻電流，結合導電性能極差的反應器材料，最大限度地提高效率。

研究人員利用電子工程學副教授、論文共同作者胡安-里瓦斯-達維拉（Juan Rivas-Davila）開發的新型高效電子設備產生了所需的電流。然後，他們利用這些電流感應加熱反應器核心中由導電性差的陶瓷材料製成的三維晶格。範說，晶格結構與材料本身同樣重要，因為晶格空隙會人為地進一步降低導電性。這些空隙可以填充催化劑，即需要加熱才能啟動化學反應的材料。這使得熱傳導效率更高，也意味著電氣化反應器可以比傳統的化石燃料反應器小得多。

“你正在加熱一個緊靠催化劑的大表面積結構，因此你產生的熱量可以很快到達催化劑，從而推動化學反應，”範說。 “此外，它還簡化了一切。你不需要從其他地方轉移熱量並在途中損失一些熱量，也不需要任何管道進出反應器–你可以對其進行完全隔熱。從能源管理和成本角度來看，這都是理想的選擇。

研究人員利用該反應器為一種化學反應提供動力，這種反應被稱為反向水氣變換反應，使用的是史丹佛大學化學教授馬修-卡南（Matthew Kanan）開發的一種新型可持續催化劑。此反應需要較高的熱量，能將捕獲的二氧化碳轉化為有價值的氣體，可用於製造可持續燃料。在概念驗證演示中，反應器的效率超過85%，顯示它幾乎能將所有電能轉化為可用熱量。反應器也展示了促進化學反應的理想條件–二氧化碳以理論預測的速度轉化為可用氣體，而新的反應器設計往往達不到這種效果。

「當我們把這些反應爐做得更大或在更高的溫度下運作時，它們就會變得更加高效，」範說。 “這就是電氣化的故事–我們不只是要取代現有的東西，我們還要創造更好的性能。”

範、達維拉、卡南和他們的同事已經在努力推廣他們的新反應器技術，並擴大其潛在應用範圍。他們正在調整相同的想法，設計用於捕獲二氧化碳和製造水泥的反應器，並與石油和天然氣行業的工業合作夥伴合作，以了解這些公司採用這項技術的需求。他們也正在進行經濟分析，以了解全系統的可持續解決方案是什麼樣的，以及如何使這些解決方案更經濟實惠。

範說：”電氣化為我們提供了重塑基礎設施、突破現有瓶頸、縮小和簡化這類反應器的機會，此外還能使它們脫碳。工業脫碳將需要新的、系統級的方法，我認為我們才剛起步。

編譯自/ ScitechDaily