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離子液體催化劑幫忙將排放轉換成燃料

only-perception
・2011/10/07 ・1016字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 591 ・九年級

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有個 Illinois 研究團隊已成功克服一項有前途技術的主要障礙,那能同時減少大氣中的二氧化碳並製造燃料。

Illinois 大學化學與生物分子工程教授 Paul Kenis 及其研究小組與 Dioxide Materials,一家新公司的研究員合作,製造出一種催化劑,那改善人造光合作用。這家公司,位於大學的研究園區,由退休化工教授 Richard Masel 所成立。這個團隊在 Science 期刊上報告他們的成果。

人工光合作用是一種將二氧化碳氣體轉換成有用的碳基化學物質(最值得注意的是燃料或其他通常源自於石油的化合物)的過程,成為一種從生質將它們萃取出來的替代方法。

在植物中,光合作用利用太陽能將二氧化碳以及水轉換成醣與其他烴類。生物燃料通常是從玉米這樣的作物萃取出來的醣提煉而成。然而,在人造光合作用中,會有一個利用來自日光收集器或風力渦輪發電機之能量的電化學電池(electrochemical cell),將二氧化碳轉換成簡單的碳燃料,例如甲酸(蟻酸)或甲醇,那經過進一步提煉以製造乙醇還有其他燃料。

“關鍵優勢是,這裡不會與食物供應相互競爭,” Masel,這篇論文的副首席研究者,同時也是 Dioxide Materials 的 CEO,”而且傳輸電力比裝運生質到提煉廠要便宜許多。”

然而,有一大障礙阻止人工光合作用跨入主流:要製造燃料的第一步,將二氧化碳轉換成一氧化碳,太耗費能量了。那需要許多電力來驅動第一步反應,製造燃料所需的能量比起可儲存在燃料中的能量要來得多。

此 Illinois 小組使用一種涉及某種離子液體(ionic liquids)的新穎方法來催化此反應,大幅減少驅動此過程所需要的能量。離子液體使反應裡的中間產物(intermediates,中間體)穩定,故完成轉換所需要的電力比較少。

研究者們把一個電化學電池當成一具流動反應器(flow reactor)使用,以氣體擴散電極(gas-diffusion electrodes)自液體電解質催化劑中區分出(separating)氣態的 CO2 輸入以及氧輸出。此電池的設計允許研究者微調電解質流的組成以改善反應動力學,包括離子液體當成輔助催化劑添加。

“那大幅降低 CO2 還原的超電勢(overpotential),” Kenis 說,他也是一位機械科學與工程教授同時隸屬 Beckman Institute for Advanced Science and Technology。”因此,需要施加的電位降低了許多。施加低了許多的電位與「驅動此過程所耗的能源比較少」相關。”

接下來,研究者希望對付輸出量(throughput)的問題。為了使這項技術在商業化應用上有用,他們需要加速反應並將轉換最大化。

“還需要更多研究,不過這項研究使我們離「減少我們對於石化燃料的需求並同時減少與氣候變化相關連的、不必要的 CO2 排放」更接近了,” Kenis 表示。

資料來源:PHYSORG:Ionic liquid catalyst helps turn emissions into fuel[October 6, 2011]

轉載自only-perception

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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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使用「藍碳」捕捉二氧化碳的速度比森林快四倍!這個方法可行嗎?——《圖解全球碳年鑑》
商業周刊
・2022/10/05 ・4523字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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沿海濕地中的藻類、海草、紅樹林、鹽沼、和其他植物在生長過程中會吸收和捕獲二氧化碳。沿海和海洋生態系統捕獲和儲存二氧化碳的方式,稱之為「藍碳」。

被封存在海底的碳有一半以上來自這些沿岸的森林,它們捕獲二氧化碳的速度比傳統森林快了 4 倍,因為大部分的碳都進入幾米深的潮濕土壤中。以這種方式捕獲碳可以將之從大氣層中移除,降低空氣中二氧化碳的總含量。

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達 8 噸的二氧化碳,遠比 1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。

在過去半個世紀以來,世界上約 30% 到 50% 的紅樹林遭到破壞

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達8 噸的二氧化碳,遠比1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。圖/商業週刊

土壤的碳儲存方式

土壤是有生命的。當泥土被無數的有機微生物寄居時,就變成了土壤,成為植物生長的重要基質。

土壤還將世界上大量的碳儲存在一種物質當中,也就是所謂的土壤有機質(soil organic matter,SOM)。有機一詞在此並不是指沒有化肥或殺蟲劑,而是指存在大量的碳。通常土壤有機質含有 50% 到 60% 的碳。大多數用於農業的土壤含有 3% 到 6% 的有機質。

當植物原料(如葉子或莖)凋零掉落到土地上時,會被土壤中的微生物分解,這個過程將植物轉化為碳,並產生有機質。碳被封存在土壤中,不再以二氧化碳的形式釋放到大氣中。

當植物原料凋零掉落到土地上時,會被土壤中的微生物分解,這個過程將植物轉化為碳,並產生有機質。圖/Pixabay

犁田耕作會破壞土壤有機質和碳的儲存。耕地時,會使有機質暴露地表,更容易被微生物利用,迅速消耗土壤有機質,將二氧化碳釋放到大氣層中。每年由於耕作、侵蝕、或與氣候相關的土壤變化(如永久凍土融化),造成儲存在土壤中大約 10 到 20 億噸的碳,以二氧化碳的形式釋放回大氣層中。

土壤有機質可以保留或重建,使得大氣中的二氧化碳返回土壤長期封存。農民在施肥、將植物廢棄物(如玉米秸稈)留在田間進行分解、或種植覆蓋作物時,會增加土壤有機質。覆蓋作物是在生長季節過後、田間空無作物時種植,通常是草或三葉草,根部很深,能穿透土壤。如果在種植新的經濟作物之前讓覆蓋作物在田間分解,能夠顯著增加土壤中的有機質和碳。

最小化耕作(稱為保護性耕作)是另外一種防止土壤有機質流失(或使土壤慢慢再生)的方法。其中所謂的免耕種植,是指利用專門的播種機將種子放入一小塊翻鬆的土壤中,因此無須翻耕整片田地。

讓土壤恢復健康

泥土並不完全相同,土壤的養分含量會隨著時間根據其處理方式、和所處的環境而發生變化。

世界上三分之一的土壤已經退化到幾乎無法再支持動植物生存的地步。主要的一些原因是:

  • 土壤耕作。
  • 牛群過度放牧。
  • 砍伐和焚燒樹木和植物(砍燒耕作法)。
  • 未在冬季種植覆蓋作物。
  • 覆蓋物不足。

亞洲、歐洲、北美和南美的大型工業化農場,由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品,因而加劇了土壤侵蝕。市場和債務的經濟壓力使可持續性農業做法在短期內難以實施。

由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品,因而加劇了土壤侵蝕。圖/Pixabay

從生產的食物品質到大氣中的碳含量,土壤健康都具有深遠的影響。土壤很健康時,可以平衡水循環、並發揮避震作用以防止洪水和侵蝕。1930 年代美國西部的沙塵暴侵襲(Dust Bowl)、和 2017 年波多黎各的洪水災害,都是氣候變化的災難性衝擊、和土壤侵蝕造成的自然災害實例。這些變化會對農業產生重大影響。

根據美國農業部的說法,農民可以透過 4 種方式創造更好的土壤:

盡量減少干擾

  • 限制耕作。
  • 使化學品發揮最大效益。
  • 牲畜輪替。

強化土壤覆蓋

  • 種植覆蓋作物。
  • 使用有機覆蓋物。
  • 保留植物殘留物。

強化生物多樣性

  • 種植多種不同的覆蓋作物。
  • 利用多樣化的作物輪作。
  • 整合牲畜。

強化活根的存在

  • 減少休耕。
  • 種植覆蓋作物。
  • 利用多樣化的作物輪作。

在地方層面,一般公民可以透過投票支持可持續性農業發展的立法和政策,以及購買可持續性農業經營的產品。

房屋所有者也可以透過全年種植多樣化的植物種類,讓自然生態發展,改善其房產周圍的土壤健康,這樣能強化活躍的根系、並創造生物多樣性。

健康的土壤如何平衡水循環?圖/商業週刊

大規模改變環境的「地球工程」

如果你生起營火、或是隨意處置一台冷氣機,那就是在用個人的行動改變環境。但是,當公司和國家有意大規模改變環境時,這被稱為「地球工程」(geoengineering)。

地球工程策略聽起來像是科幻電影情節似的:在太空中部署太陽遮屏,以使部分太陽能量反射回太空,或是從大氣中吸取二氧化碳,將之送入地下層變成石頭。科學家們正在探索更多這一類大規模修補地球系統的方法,使地球降溫,但迄今為止,許多方法都成本高昂、存在爭議、也充滿著風險。

以太陽遮屏為例,雖然聽起來像部署固體金屬片,但其實是模擬大規模火山噴發時的情況,在空中噴灑出濃密的灰燼和化學物質,進而阻擋太陽能量。可能在噴氣燃料中加入化學物質,以便高空飛行的噴氣機將之擴散到高層大氣中。

超級計算機預測,以這種方式噴射到平流層的反射硫粒子,可能會產生冷卻效果,當然,也會影響降雨、降雪和季節性溫度。目前還不清楚會到什麼程度,如果天氣變化太過劇烈,就不容易挽回損失,造成人人受苦。即使可以逆轉噴灑,停止這樣的計畫也可能造成危險,因為太陽射線突然少了阻擋而導致全球氣溫和溫室氣體驟升。

至於直接從空氣中吸取二氧化碳,將之儲存在地下岩層中,歐洲和北美已有 19 家工廠做到這一點,每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。沒有人知道這種方式可以安全地封存二氧化碳多久。

直接從空氣中吸取二氧化碳,將之儲存在地下岩層中,歐洲和北美已有19 家工廠做到這一點,每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。圖/Pixabay

一旦出現洩漏,土壤、水和空氣可能會受到汙染,而從地下層收集氣體也可能引發微震和地震。不管怎麼說,這個過程若想要成功,也必須得降低成本、提高效率才行(目前每噸的成本高達 600 美元),我們將會需要相當多家的碳捕獲工廠,才可能有辦法消除每年所排放的數千兆噸二氧化碳,以實現 2050 年淨零排放。

不同於將二氧化碳儲存於地下岩層,鐵質施肥(iron fertilization)是以海洋為重點的選擇。這個過程是將硫酸鐵注入海水中,促進藻類大量繁殖以吸收二氧化碳,然後沉入海底。成功率參差不齊,有 5% 到 50% 的藻類增殖,沉入到足以造成封存影響的深海。然而,完全有效可能需要付出代價:過量的藻類或許也會引發有毒浮游植物的生長高峰,而將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。

將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。圖/Pixabay

地球工程是一個冒險的賭注,一些科學家表示,這對於全球氣溫的衝擊微乎其微,尤其是考慮到不採取行動造成不良後果的可能性很高。但也有科學家指出,仰賴快速的工業解決方案,可能會使人們和企業忽略對於實際減少碳排放、或停止使用化石燃料應付出的努力。

有無數的公司和國家正在單方面從事地球工程研究。預計這些實驗將在世界各地不同軌道上展開。

利用二氧化硫進行地球工程

有些工程師提出一種低成本又快速的方法來減緩氣候變化⸺整頓碳房,同時「擺脫困境」。

就像鏡子反射光線、黑色車道在夏日變得炎熱一樣,外層大氣從太陽反射的光熱,也會對全球溫度產生影響。

30 年前,菲律賓的皮納圖博(Mt. Pinatubo)發生了 100 年來最嚴重的一次火山爆發,所噴發的灰燼造成了驚人的影響:一整年地球的平均溫度下降了約 0.5° C。透過使地球大氣層反射陽光,而不是吸收,地球變得比較涼爽。

地球工程學家正專注研究此一概念,在地球外圍創造一個人為的太陽遮屏。利用特殊裝備的大型噴氣式飛機,將不同的化學物質噴灑到高層大氣中,希望能一次改變地球多年的反射率,以人為方式降低地表的平均溫度。

透過地球工程,在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用:

  • 散射太陽光。
  • 讓天空更明亮一些。
  • 反射部分太陽熱量。
  • 讓地球更涼爽一些。
透過地球工程,在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用:讓天空更明亮一些。圖/Pixabay

透過在大氣中注入二氧化硫、鈦、或其他化學或礦物質,可以增加行星反照率(反射率)。

太陽能地球工程透過改變地球的輻射平衡,來治療氣候變化的徵狀,這方面的科學研究稱為「平流層氣溶膠監測」(stratospheric aerosol modification,SAM)。

據估計,這種方法一年成本不到 100 億美元,在大多數的氣候變化因應措施當中只是九牛一毛。一些專家認為,只要動用幾百架飛機即可完成,而且可以比預期更早開始。

研究人員馬克.勞倫斯(Mark Lawrence)2006年指出,「對地球工程可能性的嚴肅科學研究,如克魯岑和西塞隆(Crutzen & Cicerone)發表文章中所討論的,完全沒有得到氣候和大氣化學研究界的包容」,然而,到了 2016 年,他總結道,「在這些文獻發表後的 10 年間,雖然氣候工程仍然是極具爭議性的問題,但是在更廣泛的地球科學研究領域,那種禁忌感基本上已不存在」。

這種方法,還是有許多未經測試的現實問題:

  • 這些化學物質將會使臭氧層出現什麼反應?
  • 該由哪些國家規範這個過程、又該如何決定干預措施的地點和程度?
  • 有什麼辦法能阻止組織和國家單方面進行?若有國家想要暖化加劇、或是有億萬富翁只是想要名利,該如何處理?
  • 這將對人類、動物、植物、和海洋的健康造成什麼影響?
  • 我們準備好長久持續進行了嗎?如果沒有,一旦陷入了相對低成本和快速的解決方案,又該如何下決心停止呢?

——本文摘自《圖解全球碳年鑑:一本揭露所有關於碳的真相,並即時改變之書》,2022 年 9 月,商業周刊,未經同意請勿轉載。

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【2005 諾貝爾化學獎】歧化 – 一個更換伴侶的舞蹈
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/09/13 ・5122字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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今年的諾貝爾化學獎由三位化學家所共同獲得,他們是法國的 Yves Chauvin,以及兩位美國的學者 Robert H. Grubbs 及 Richard R. Schrock,得獎的原因在表彰他們發展歧化(metathesis)反應在有機合成上的運用所造成的卓越貢獻。得獎者的成就已經在化學工業上成為一項重要的方法,並在合成化合物上開啟了新的機會而將使工業上製造藥物、塑膠以及其它材料的生產更為方便,這些物質的價格會因此降低而且減少對環境的衝擊。

歧化 — 一個更換伴侶的舞蹈

什麼是歧化?

在化學的反應中,原子之間的鍵結會斷裂而新的鍵結會生成。今年諾貝爾化學獎的焦點是稱為"歧化"的反應,這個名詞具有"改變位置"的意義。如(圖1)所示,在烯(一種含有碳-碳雙鍵的化合物)的歧化反應中,形成雙鍵的兩個碳會與另外一組雙鍵的兩個碳交換伴侶,形成另一個新的組合。在所示的反應中,一個丙烯的分子將其中的一個 CH2 基團與另一分子的丙烯中之 CH3CH 交換,結果就產生了丁烯及乙烯。這個反應需要使用一個催化劑(催化劑是一個能使反應加速進行但卻不會成為產物的一部份的分子)才會發生。

(圖1)兩個丙烯藉著催化劑的幫助進行烯的歧化反應,產生兩個新的烯化物即丁烯和乙烯。

其實化學家早就知道可以透過這種反應來製造新的化合物,只是他們並不瞭解催化劑在這個反應中扮演的角色為何。Yves Chauvin 提出的反應機制在對這個反應的認知上跨出了一大步,因為他解釋了催化劑是如何的運作。此時,研究者獲得了一個新的挑戰機會,那就是如何的去創造一個新的且更有效的催化劑。緊接著,Robert H. Grubbs 及 Richard R. Schrock 的基礎研究進場,由於他們的貢獻,才有今日那些非常有用的催化劑可供使用。

有機化合物 — 豐富的多樣性

碳元素能與碳元素以及其它的元素如氫、氧、氯和硫形成很強的鍵結,碳原子能以單鍵、雙鍵或三鍵的方式與其它的原子結合,可得到直鏈或分岔的結構,又可生成具有各種型態和大小的環狀結構。這個領域的化學稱為有機化學,因為在地球上生命的存在都是基於碳的這種多樣性。

眾多的有機化合物中,目前其實只有一小部份被研究過,但即使如此,我們現在已經可以得到各種新的藥物、材料、塗料等等,這是幾年前所無法想像的。

有機合成

所謂的有機合成就是將不同的化合物以特定的方式反應而製造出其它的化合物;透過有機合成,我們可以從已知的化合物原料製造出新的化合物。許多的工業必需利用有機合成,例如製藥和生技的工業,以及纖維和特用化學品的工業。在(圖2)中,一個在癌症的研究中所需的化合物 A 需要用另一個化合物 B 來合成,而 B 又需要從別的分子來合成。在化合物 B 的結構中具有一個由碳原子所組成的長鏈,其中有一個碳原子被氧原子取代。在合成化合物 A 時,這個長鏈被轉變成了一個大環的結構,這個環狀的結構正是抗癌的活性所必需。

為了製造這個大環,催化性的歧化反應正好派上用場,而其使用的催化劑正是這次的諾貝爾獎得主之一所開發出來的。由化合物 B 的結構中之長鏈兩端的雙鍵(圖中圈出的部分),透過歧化反應可以製造出兩個新的雙鍵,其中一個雙鍵用在結合長鏈的兩端而形成大環,而另一個雙鍵則存在於另一個副產物乙烯當中。如果要用別的方法來形成這個大環,將需要非常複雜而冗長的步驟。

(圖2) 運用一個 Grubbs 催化劑進行的合成。在此透過歧化反應將化合物 B 中的長鏈結合成化合物 A 中的大環。化合物 A 被用在癌症的研究上,其中環狀的結構正是抗癌的活性所必需。

歧化反應是如何發現的

歧化反應的發現可回朔至 1950 年代,正如同許多有機化學反應的發現一般,它源自於工業界,有好些個專利描述了催化性的烯聚合反應,其中的一篇專利是由美國杜邦公司的 H. S. Eleuterio 在 1957 年所提出的,它描述了得到不飽和的碳鏈(鏈上具有許多雙鍵)的方法;在此之前,由乙烯聚合成聚乙烯只會得到飽和的碳鏈(鏈上不具雙鍵)。這個出人意外的發現造成了深遠的影響。

在同年,另一份專利顯示,當使用一個由三異丁基鋁(triisobutyl aluminum)與氧化鉬(molybdenum oxide)依附在氧化鋁上的催化系統時,丙烯可轉變成丁烯及乙烯,這個在(圖1)所示的反應被稱為菲利浦公司的三烯製程(Phillips triolefin process)。這兩個專利都成功的在工業界中使用。

在許多年之後,這兩個發現的關聯性才被固特異輪胎及橡膠公司的 N. Calderon 發現,他指出,在上述的兩種製程中所發生的是同一種型態的反應,並稱之為烯的歧化反應(olefin metathesis),只不過在分子的層次,其中的催化劑之結構及其運作的機制在當時仍屬未知,因而由此所啟動之精采的催化劑獵捕行動,只能在黑暗中透過隨意擲擊四處碰觸的方式盲目的摸索。

Chauvin 的機制

越來越多的化學家開始注意到到歧化反應可能提供給有機合成的高度潛力,不過可能沒有人料想到它會成為如此的重要。雖然有許多的研究者提出各種歧化反應如何發生的可能機制,但真正的突破要等到 1970 年 Yves Chauvin 所發表的一份研究報告,他和他的學生 Jean-Louis Herrison 指出其中的催化劑是一個金屬碳烯(metal carbene),這種化合物具有一個金屬與碳形成的雙鍵。在之後的文獻中,金屬碳烯也被稱為金屬亞烷基(metal alkylidine)。在更早些年 E. O. Fisher(1973年諾貝爾化學獎)也發現過一些其它的金屬碳烯。Chauvin 也提出了一個嶄新的機制來解釋這個金屬化合物在反應中扮演何種功能。他們所進行的一些新的實驗結果完全符合這個新機制的運作,而無法用之前所提出的各種機制來解釋。在(圖3)(a )中,一個金屬亞甲基做為催化劑,造成兩個雙鍵上的亞烷基之交換,導致兩個新的雙鍵生成(圖中金屬 M 上所用的中括號代表金屬除了與碳之間有一個雙鍵之外其上還有其它的基團)。

(圖3) (a)由金屬亞甲基做為催化劑的烯歧化反應。產物是兩個新的烯化物:乙烯及一個含有兩個 R’ 基團的烯化物,這兩個 R’ 基團分別接在雙鍵的兩個碳上,曲折線代表它們可以在雙鍵的同邊或反邊。 (b)Chauvin 提出的烯歧化反應機制。在這個催化的循環中,會生成一個含有三個碳和一個金屬的四元環。

(圖3)(b)所示為此反應的機制,在反應的第一階段,金屬亞甲基與一個烯形成一個四元環,這個環含有一個金屬和三個碳,相互以單鍵結合。在下一個階段,其中的兩個單鍵斷裂並形成一個新的烯(即乙烯)和一個新的金屬亞烷基。在第三步驟,這個新的金屬亞烷基又與原先的烯結合成一個新的四元環。在最後的步驟中,這個含有金屬的四元環裂解產生歧化的產物並同時重新得回原先的金屬亞甲基,這個重新得回的金屬亞甲基又繼續投入另一個歧化反應的循環當中。這個反應的最終結果就是兩個烯的分子交換了它們的亞烷基,也就是進行了歧化反應(圖3)(a)。Chauvin 的機制一舉解釋了所有早先文獻中的結果,他的機制也得到了 Robert H. Grubbs、Thomas J. Katz 以及 Richard R. Schrock 等研究團隊的實驗之強烈支持,現已廣為大家所接受。

(圖4)一個有趣的歧化之舞。

上面所描述的 Chauvin 機制可以視為一種舞蹈(圖4),其中催化劑與烯這兩組在舞蹈中交換舞伴。金屬和他的舞伴雙手相牽,當碰到烯隊時這兩組人馬結合成一個圈圈跳舞,隔了一會兒,他們與原先的同伴鬆手然後與新的伴侶湊成一對共舞。現在新形成的金屬隊又開始尋找新的烯隊,再次組成圈圈跳舞,換句話說,金屬隊成為一個分歧化的媒介者。

研發新的催化劑

到此時更多的化學家開始體認到,如果能找到更有效而可靠的催化劑,將可以使得這個反應在有機合成上成為一個極為重要的方法。早先所使用的催化劑結構並不明確,對空氣及濕氣極為敏感,穩定度很差而只能短暫的存在。一個好的催化劑必須是穩定的,並具有確定的結構,其化學活性要能針對需要而做調整,此外它們必須具有選擇性,也就是說只會與雙鍵反應而不會作用到分子上的其它部位。Chauvin 的研究結果顯示了有效率的催化劑可以如何的建立,但問題是在所有結構很明確的已知金屬亞烷基中,沒有一個可以成功的運用在烯的歧化反應上。雖然有好些位化學家在研發歧化反應的催化劑及其運用,並且也有重要的貢獻,不過,在此研究領域中關鍵性的進展則出自於 Robert H. Grubbs 及 Richard R. Schrock 的團隊。

Schrock 的第一個實用的催化劑

Schrock 在 1970 年代初期開始研究新的金屬亞烷基錯合物,但是到底哪一種金屬最適合製造出最有效的催化劑呢?他嘗試了含有鉭(tantalum)、鎢及鉬的催化劑,逐漸的掌握了哪些金屬可以使用以及它們如何的運作。對 Schrock 而言,鎢及鉬很快的顯示出是最適當的金屬,雖然用這些金屬合成了一些催化劑,但對於在金屬上到底要放上什麼基團才能製造出穩定而活性又高的催化劑仍不確定。在 1990 年,Schrock 的團隊終於得到突破而發表了一系列活性又高而結構又很明確的含鉬之催化劑(圖5)。

(圖5)一個 Schrock 的含鉬催化劑。藉著選擇適當的基團接在金屬上可以得到極高的化學活性。在此 i-Pr 代表異丙基,Ph 代表苯基。

由於他的發現,化學家開始體認到烯的歧化反應可以普遍的運用在有機合成上,歧化反應越來越受到那些活躍的有機合成化學家們的注意,他們發現歧化反應可以取代許多傳統的合成方法,而在同時也提供了一種嶄新的方式來合成有機化合物。在(圖5)中所示的含鉬催化劑雖然對氧氣及濕氣是很敏感的,但只要透過適當的處理方式,不失為一個在有機合成上威力強大的工具。

一種由 Grubbs 所研發的通用催化劑

另一個突破則發生在 1992 年,Robert Grubbs 的研究團隊報導了他們所發現的一個含釕(ruthenium)的催化劑,它在空氣中是穩定的,表現出很高的化學選擇性,但是化學活性較 Schrock 的催化劑為低,這個新的催化劑可以在醇、水及有機酸的存在下催化歧化反應(參考圖2),在此之後 Grubbs 進一步的改進了他的催化劑,在(圖6)中所示的是幾個很有效而又容易合成的催化劑中的一個。

(圖6) 一個由 Grubbs 開發的含釕的催化劑。在此 Cy 代表環己基。

Grubbs 的催化劑已成為在普通的實驗室中,被普遍使用在歧化反應上,而且功能明確的催化劑。在(圖6)中所示的催化劑被稱為 Grubbs 催化劑,並成為一個被其它新的催化劑用來比對的標準。Grubbs 催化劑的通用性導致其後在有機合成上新的展望。Grubbs 對催化劑的設計是基於詳細的反應機制研究,他持續的開發以釕為基礎的催化劑,朝著製造合成上最具威力的催化劑而努力,這些合成包括了具有特殊性質的聚合物。

運用以及影響

這幾位諾貝爾獎得主所發展的合成方法,已經在學術研究上迅速的成為普遍使用的工具。為了製造新化合物所設計的工業製程,在這方面也有熱烈的發展,利用催化性的歧化反應可以縮短合成的步驟,得到更高的產率及更少的廢物,這導致更乾淨而對環境衝擊較小的製程。這種反應開啟了更多的機會去探索更多樣性的有機分子。除了他們之外,許多其他的研究者也提供了重要的貢獻,並持續的為了解決特定的問題例如合成複雜的天然物及其類似物,而開發新的歧化反應催化劑。

歧化反應在製藥工業、生技工業及食品工業上具有極大的商業潛力;新的催化劑亦可廣泛的運用在聚合物的合成上,雖然截至目前許多最有用的聚合物仍然是用傳統的方式來合成,但最近在聚合物合成的研究顯示,某些歧化反應催化劑在合成具有特殊性質的聚合物方面具有光明的前景。

雖然 Schrock 與 Grubbs 所發展的催化劑問世不過短短數年,但是他們所發展的應用性之深入的確是令人驚訝,這包括了昆蟲費洛蒙、除草劑、聚合物和燃料的添加劑、具有特殊性質的聚合物以及各種在藥物發展上很有潛力的各種分子之合成。有關一些可以對付各種人體疾病所發展的各種分子尤其值得一提,因為許多的研究者正投入於製造可能的藥物來治療各種狀況,例如細菌感染、C 型肝炎、癌症、阿茲海默症、唐氏症、骨質疏鬆、風濕、發炎、纖維症、HIV/AIDS、偏頭痛等等,歧化反應也因此成為一項重要的武器來尋找新的藥物以治療這世界上許多主要的疾病。

參考資料

蔡蘊明譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的參考資料:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2005/info.html

若要參考更深入的說明請見:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2005/adv.html

諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列

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每年有一千萬公頃的森林消失!把樹種回去,就可以解決問題了嗎?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/19 ・1997字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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碳捕捉:把電廠排出來的二氧化碳再抓回去!

一九九〇年代,尚未開發出風能和太陽能,當時對氣候變遷的擔憂日益增加,因此有人建議捕捉和儲存那些從化石燃料發電廠排放出來的二氧化碳,如此就可將其轉變成一種低碳電力。

碳捕捉主要是透過化學反應將煙道氣(flue gas)中的二氧化碳分離出來,然後再將其壓縮液化,泵入地下洞穴,例如含水層或是廢棄的油氣田。

同時要針對傳統的發電機開收排放二氧化碳的費用。這將鼓勵電廠採用碳捕捉技術,不過前提是碳價要夠高,超過捕捉和封存二氧化碳的成本。

然而,即使在龐大的歐盟市場,碳的價格也從未高到足以讓碳捕捉在電力生產中具有競爭力,而且真正在運作的碳捕捉工廠很少。

碳捕捉將煙道氣(flue gas)中的二氧化碳分離出來,然後再加工處理。圖/Envato

即使如此,捕捉二氧化碳排放依舊可望成為一種脫碳方法,在未來某些產能製程中合乎成本效益。一個例子是將天然氣轉化為氫氣,這還能用於加熱和製造燃料電池,或用於生產水泥以及甲醇和氨等重要工業化學品。

碳捕捉的各種可行性:直接從空氣抓?多種一點樹?

也有人認真思考過直接從空氣中捕捉二氧化碳的可行性,因為目前我們所面對的現實非常危險,即二氧化碳排放量下降的速度恐怕來不及讓上升溫度控制在攝氏 1.5 度內。

種植更多的樹木可能是最簡單也最便宜的方法,但首先必須遏止每年大量的伐林問題。

每年約有一千萬公頃的森林遭到砍伐,用於種植大豆、棕櫚油和其他作物,以及放牧牲畜。這樣的伐林導致全球每年約 10% 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。

目前二氧化碳排放量下降的速度沒辦法使上升的溫度控制在 1.5°C 內,再加上樹木被大量的砍伐,導致全球每年約 10% 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。圖/Envato

此外,封存大量二氧化碳所需的樹林面積也相當大──約要美國國土面積的四分之一,需要超過六年,甚至幾十年的時間才能讓樹木長到成熟,每年只能吸收平均全球燃燒化石燃料的 10% 排放量。

而在成長期過後,還需要更換樹木,因為在建築中也會使用到木材。有人建議,可以燃燒林業的廢棄物來產生能量(熱或電),並捕捉和封存排放出來的二氧化碳。

這種生質能源的碳捕捉尚有爭議,必須要確保改變土地利用的這項變動最後的結果是產生淨負排放,而不是增加碳的排放量。此外,這種方法尚在開發中,可能會與其他對可耕地和淡水的需求產生競爭關係。

多種樹,真的可以救地球嗎?事情可沒有我們想的那麼簡單!圖/Pixabay

不過,可以使用化學吸收器直接從空氣中捕捉二氧化碳,這種方法比生質能源更緻密、更可靠, 只是目前的價格較為昂貴。

奧利金能源公司(Origen Power)正在開發將碳捕捉與具有商業價值的石灰生產相結合,這樣的製程可望降低成本。

吸碳新創公司「Carbon Engineering」也在開發另一種方法,是使用與二氧化碳接觸會形成碳酸鈣的氫氧化鉀。整個過程以石灰來合成氫氧化鉀,形成碳酸鈣,然後將其加熱,釋放出二氧化碳,進行壓縮和封存──這時便會再度合成石灰。他們預估,以這種方式捕捉二氧化碳的成本可望降低至每噸 100 美元。

碳捕捉的展望與未來

為了增加產值,可以將捕捉來的二氧化碳與氫結合(比方說以再生電力來電解水,製造出氫氣),這可用來合成低碳燃料,取代汽油、柴油或航空燃料,這樣一來,其總排放量會遠低於某些生質燃料。

若是要捕捉和封存燃煤發電廠排放的二氧化碳,電力成本會增加約 60%,而使用再生能源來發電,成本則低得多。

然而,隨著空氣碳捕捉的研發和大量投資,再加上在某些工業製程中捕捉二氧化碳,以及重新造林,預估到二〇五〇年時,碳捕捉可能會吸收掉全球年排放量的 10%。

到二〇五〇年,再生能源和核能的總發電量可能接近當前全球需求量的 90%,透過碳捕捉,全世界可能會達到二氧化碳淨零排放。但要處理大量再生電力,電網在輸送和分配上需要適應風場和太陽光電場輸出量的種種變數,因此發展儲能設備非常重要。

——本文摘自《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》,2022 年 6 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

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